Rugalmas hullámok terjedése. A hullámegyenlet és speciális megoldásai

Hasonló dokumentumok
9. ábra. A 25B-7 feladathoz

Csillapított rezgés. a fékező erő miatt a mozgás energiája (mechanikai energia) disszipálódik. kváziperiódikus mozgás

Hősugárzás. 2. Milyen kölcsönhatások lépnek fel sugárzás és anyag között?

OPTIKA. Elektromágneses hullámok. Dr. Seres István

Sugárzás és szórás. ahol az amplitúdófüggvény. d 3 x J(x )e ikˆxx. 1. Számoljuk ki a szórási hatáskeresztmetszetet egy

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Fizika és 3. Előadás

A Coulomb-törvény : 4πε. ahol, = coulomb = 1C. = a vákuum permittivitása (dielektromos álladója) elektromos térerősség : ponttöltés tere : ( r)

Zaj és rezgésvédelem

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 1. (b) Rugalmas hullámok. Utolsó módosítás: szeptember 28. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Rezgés, Hullámok. Rezgés, oszcilláció. Harmonikus rezgő mozgás jellemzői

FIZIKA. Ma igazán feltöltődhettek! (Elektrosztatika) Dr. Seres István

FIZIKA. Ma igazán feltöltődhettek! (Elektrosztatika) Dr. Seres István

A Maxwell-féle villamos feszültségtenzor

Numerikus módszerek. A. Egyenletek gyökeinek numerikus meghatározása

(Gauss-törvény), ebből következik, hogy ρössz = ɛ 0 div E (Gauss-Osztrogradszkij-tételből) r 3. (d 2 + ρ 2 ) 3/2

Elektrosztatika (Vázlat)

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

Ψ - 1/v 2 2 Ψ/ t 2 = 0

1. TRANSZPORTFOLYAMATOK

11. Egy Y alakú gumikötél egyik ága 20 cm, másik ága 50 cm. A két ág végeit azonos, f = 4 Hz

Hullámok tesztek. 3. Melyik állítás nem igaz a mechanikai hullámok körében?

Mozgás centrális erőtérben

a terjedés és a zavar irányának viszonya szerint:

rnök k informatikusoknak 1. FBNxE-1

A rugalmassággal kapcsolatos gondolatmenetek

Hullámtan. A hullám fogalma. A hullámok osztályozása.

W = F s A munka származtatott, előjeles skalármennyiség.

α v e φ e r Név: Pontszám: Számítási Módszerek a Fizikában ZH 1

A Coulomb-törvény : ahol, = coulomb = 1C. = a vákuum permittivitása (dielektromos álladója) k 9 10 F Q. elektromos térerősség : ponttöltés tere :

III. Differenciálszámítás

Optika gyakorlat 6. Interferencia. I = u 2 = u 1 + u I 2 cos( Φ)

XV. Tornyai Sándor Országos Fizikai Feladatmegoldó Verseny a református középiskolák számára Hódmezővásárhely, április

HARDVEREK VILLAMOSSÁGTANI ALAPJAI

Fizika és 6. Előadás

X. MÁGNESES TÉR AZ ANYAGBAN

4. STACIONÁRIUS MÁGNESES TÉR

A Maxwell-egyenletrendszer:

Fizika és 16 Előadás

Hullámmozgás. Mechanikai hullámok A hang és jellemzői A fény hullámtermészete

Elektromágneses hullámok

Rezgések és hullámok

SZAKDOLGOZAT Szonoelasztográfia Meszlényi Regina Júlia

3. GYAKORLATI ELEKTROMOSSÁGTAN

Folyadékok és gázok mechanikája

A hullámok terjedése során a közegrészecskék egyensúlyi helyzetük körül rezegnek, azaz átlagos elmozdulásuk zérus.

Kirchhoff 2. törvénye (huroktörvény) szerint az áramkörben levő elektromotoros erők. E i = U j (3.1)

Merev testek kinematikája

6. MECHANIKA-STATIKA GYAKORLAT Kidolgozta: Triesz Péter egy. ts. Négy erő egyensúlya, Culmann-szerkesztés, Ritter-számítás

5. IDŐBEN VÁLTOZÓ ELEKTROMÁGNESES TÉR

Mechanikai hullámok. Hullámhegyek és hullámvölgyek alakulnak ki.

Elektromos polarizáció: Szokás bevezetni a tömegközéppont analógiájára a töltésközéppontot. Ennek definíciója: Qr. i i

ELEKTROMÁGNESSÉG. (A jelen segédanyag, az előadás és a számonkérés alapja:) Hevesi Imre: Elektromosságtan, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2007

Szilárd testek rugalmassága

Mechanika, dinamika. p = m = F t vagy. m t

1.4. Mintapéldák. Vs r. (Használhatjuk azt a közelítő egyenlőséget, hogy 8π 25.)

Az atomok vonalas színképe

A fény mint hullám. Az interferencia feltételei, koherencia.

Legyen a rések távolsága d, az üveglemez vastagsága w! Az üveglemez behelyezése

2. STATIKUS ELEKTROMOS TÉR

VALÓSÁGOS ÖRVÉNYEK IDEÁLIS ÖRVÉNYEK MEGMARADÁSI ELVEI

rnök k informatikusoknak 1. FBNxE-1

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

A hang mint mechanikai hullám

Felvételi, 2017 július -Alapképzés, fizika vizsga-

17. tétel A kör és részei, kör és egyenes kölcsönös helyzete (elemi geometriai tárgyalásban). Kerületi szög, középponti szög, látószög.

Síkbeli polárkoordináta-rendszerben a test helyvektora, sebessége és gyorsulása általános esetben: r = r er

Makromolekulák fizikája

NE HABOZZ! KÍSÉRLETEZZ!

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

1. MECHANIKA-STATIKA GYAKORLAT (kidolgozta: Triesz Péter, egy. ts.; Tarnai Gábor, mérnök tanár) Trigonometria, vektoralgebra

KÖRMOZGÁS, REZGŐMOZGÁS, FORGÓMOZGÁS

Hatvani István fizikaverseny forduló megoldások. 1. kategória. J 0,063 kg kg + m 3

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

Egyszabadságfokú grejesztett csillapított lengõrendszer vizsgálata

1. ábra. r v. 2. ábra A soros RL-kör fázorábrái (feszültség-, impedancia- és teljesítmény-) =tg ϕ. Ez a meredekség. r

Olvassa el figyelmesen a következő kérdéseket, állításokat, s karikázza be a helyesnek vélt választ.

Merev testek kinematikája

Zaj- és rezgés. Törvényszerűségek

Komplex természettudomány 3.

P vízhullámok) interferenciáját. A két hullám hullámfüggvénye:

6. Kérdés A kormányzati kiadások növelése hosszú távon az alábbi folyamaton keresztül vezet a kamat változásához: (a)

3.1. ábra ábra

Matematikai ismétlés: Differenciálás

Fizika és 14. Előadás

HIDROSZTATIKA, HIDRODINAMIKA

Hangintenzitás, hangnyomás

a domború tükörrıl az optikai tengellyel párhuzamosan úgy verıdnek vissza, meghosszabbítása

feladatmegoldok rovata

Gépészmérnöki alapszak, Mérnöki fizika 2. ZH, december 05. Feladatok (maximum 3x6 pont=18 pont)

Mechanika FBL101E előadás november 5. (Kísérletek: függőleges hajítás 1) állandó sebességű, illetve 2) gyorsuló kiskocsin

1. Elektrosztatika A megdörzsölt üvegrudat a fémpohárhoz érintve az elektromos állapot átadódik

1. Elektrosztatika A megdörzsölt üvegrudat a fémpohárhoz érintve az elektromos állapot átadódik

Modern Fizika Labor. 2. Elemi töltés meghatározása

Elektromosság. Alapvető jelenségek és törvények. a.) Coulomb törvény. Sztatikus elektromosság

3.1. Példa: Szabad csillapítatlan rezgőrendszer. Adott: A 2a hosszúságú, súlytalan, merev

Kinematikai alapfogalmak

FIZIKAI MODELL AZ OLDASHŐ KONCENTRACIÓ-FÜGGÉSÉRE

Elméleti összefoglaló a IV. éves vegyészhallgatók Poláris molekula dipólusmomentumának meghatározása című méréséhez

1. Feladatok a dinamika tárgyköréből

Átírás:

Rugalmas hullámok tejedése. A hullámegyenlet és speciális megoldásai Milyen hullámok alakulhatnak ki ugalmas közegben? Gázokban és folyadékokban csak longitudinális hullámok tejedhetnek. Szilád közegben longitudinális és tanszvezális hullámok is tejedhetnek Mekkoa sebességgel tejed egy hullám? (a sebesség kapcsolata ugalmas állandókkal) Hogyan tudjuk meghatáozni a defomáció idő- és helyfüggését, a kezdeti kitéés és a kezdeti sebesség ismeetében? (mozgásegyenle Longitudinális hullám tejedése vékony ugalmas údban Milyen kapcsolat van a közeg pontjainak elmozdulása (Ψ) és ugalmas eőe jellemző mechanikai feszültség (σ) között? l + l l Hooke-tövény: l l E l σ E Ψ(, +Ψ(, l Ψ(+, + +Ψ(+, A defomáció és a mechanikai feszültség kapcsolata: [ + + Ψ( +, ] [ + Ψ(, ] l Ψ( +, Ψ(, l l σ E σ (, E Hogyan mozog a kicsi hosszúságú daab, ha údban σ(, feszültség van jelen? + σ (, E m a σ( +, σ(, ρ ρ σ σ( +, σ(, E E ρ E ρ Tanszvezális hullám tejedése vékony kifeszített húon hullámegyenlet c c E ρ l ρ sűűségű, keesztmetszetű, eővel feszített hú c c ρ

Könnyű megmutatni, hogy a hullámegyenletnek tetszőleges f és g függvényeke a Ψ (, f ( t m c) és Ψ(, g( m c megoldása! Háomdimenziós hullámegyenlet c + + y z ontosabb speciális megoldások Az tengely iányába tejedő hamonikus síkhullám A hullámegyenlet szeepe dinamikai alapegyenlet (mozgásegyenle egyételmű megoldásához szükséges kezdeti helyzet kezdeti sebesség hatáfeltételek (peemfeltételek) Ψ (, A sin + α Az oigóból kiinduló hamonikus gömbhullám A Ψ O (, sin ω t + α + y + z A z tengelyből kiinduló hamonikus hengehullám z A Ψ (, sin ω t + y c + α y Enegiaviszonyok hullámtejedésnél. A hullám intenzitása A hullámtejedés enegiaviszonyait jellemző fizikai mennyiségek A közeg, amelyben a hullám tejed (szakaszonkén folytonosan tölti ki a teet. Íg a fizikai mennyiségek a tömeghez vagy az elektomos töltéshez hasonlóan a közeg teljes téfogatában oszlanak el, és az eloszlásukat az adott fizikai mennyiség sűűsségével jellemezzük. Például a tömeg esetén, ha közeg kicsiny V téfogatú téészében m tömeg van, akko a tömegsűűség ρ m/ V. (Pontbeli étékét a V hatáátmenettel kapjuk meg.) Szingulaitás hiányában véges, nem nulla tömeggel csak egy nem zéus téfogatú téész endelkezik. Egy nulla téfogatú téészben a tömeg étéke nulla. Az enegia (és más mennyiségek is) a közeg teljes téfogatában oszlik el. Véges, nem zéus enegiával csak a közegnek egy nem zéus téfogatú (és tömegű) észe endelkezik.

Enegiasűűség: w A közeg (kicsi) V téfogatú észében lévő enegia és a V hányadosa: w / V. Enegiaáamlás eőssége (vagy sugázási teljesítmény): P Az enegiaáamlás iányáa meőleges kicsiny felületen kicsiny t idő alatt átáamló enegia és a t hányadosa: P / t. Enegiaáamlás sűűsége (vagy teljesítménysűűség) : Az enegiaáamlás iányáa meőleges kicsiny felülete vonatkozó P enegiaáamlás eősség és a hányadosa: P/ /( t ). A hullám intenzitása: Az enegiaáamlás (átlagos) sűűsége. t Enegiasűűség vékony ugalmas údban tejedő longitudinális hullám esetén A mozgási enegia sűűsége A közeg (kicsi) V téfogatú ( m tömegű) észének mozgási enegiája W k ρ V v ρ V w k V k ρ W k m v A helyzeti enegia sűűsége Mennyi a közeg (kicsi) V téfogatú észében felhalmozódó helyzeti enegia? Ψ(, +Ψ(, l E l D l l, + Ψ(+, l + +Ψ(+, Miből számazik a helyzeti enegia? A megnyúlás és összenyomás következtében a ugalmasság miatt helyzeti enegia halmozódik fel a közegben. A ugalmas eőket a Hooke-tövényből hatáozhatjuk meg: l l l E E D D ( l) E ( l) W p E p E ρc V w p p V ρc A teljes mechanikai enegia sűűsége w w k + wp

Háomdimenziós hullám enegiasűűsége w k ρ w p ρc + y + z w w k + w p Haladó hamonikus síkhullám enegiasűűsége Ψ A sin + α A ω cos + α ω A cos + α c ρ ω A cos w k + α ρ ω A cos w p + α Édekes, hogy w k w p, azaz a mozgási és helyzeti enegia ugyanazzal a fázissal változik. Ez elté a tömeg-ugó endszenél tapasztalttól (ott π/ fázis van közöttük)! cos w wk + wp ρ A ω + α, felhasználva a cos cos + α α összefüggést Haladó hamonikus síkhullám enegiasűűsége ρ ω + ρ ω w A A cos ω t + α enegiasűűség kitéés Az animációból és a képletből jól látszik, hogy az enegia is hullámszeűen tejed! Az enegiasűűség egy adott pontban egy állandó éték köül ingadozik. Az állandó étéke megegyezik az enegiasűűség egy peiódusa vonatkozó átlagával: w ρ A ω

Haladó hamonikus síkhullám intenzitása Láttuk, hogy a hullámban az enegia c sebességgel áamlik a tejedés iányába. Ha a tejedési iánya meőleges nagyságú felületen enegia áamlik át t T idő alatt, akko az intenzitás /( t ). T idő alatt (egy peiódussal később) minden mennyiség ugyanazt az étéket veszi fel, és közben a hullám λ ct utat tesz meg. λ ct Így nagyságú felületen annyi enegia áamlott keesztül, mint amennyi a V λ téfogatban volt: w V t w T ct w c w ρ A ω ρ A ω c ρv ma c A hullám intenzitása az amplitúdó négyzetével aányos, azaz A Ez más hullámoka is évényes fontos összefüggés! Hasonlóan általánosan évényes, hogy a hullám intenzitása az enegiasűűség egy peiódusa vonatkozó átlagos étékének és a tejedési sebesség szozata: w c Álló hamonikus síkhullám enegiasűűsége Édemes összehasonlítani a haladó és az állóhullám enegiasűűségét! Az állóhullámot leíó fomulából kiszámítható az enegiasűűség (gyakoló felada. Ψ π α A cos + λ α π α sin t + T + α, w ρ + c helyzeti enegia sűűsége mozgási enegia sűűsége teljes enegia sűűsége kitéés Látható, hogy az állóhullám enegiaviszonyai sokkal inkább hasonlít a ugó-tömeg endszee, mint a haladó hullámé! tt a mozgási és helyzeti enegia között a csomópontokat és duzzadóhelyeket kivéve π/ fáziskülönbség van.

A gömbhullám amplitúdójának csökkenése A Ψ A (, sin ω t + α A A() Azaz a gömbhullám amplitúdója a foástól mét távolsággal fodított aányban csökken! Mivel magyaázható ez a csökkenés? z Kapcsolatos-e enegiaelnyeléssel? Q Ha hullámfoás teljesítménye P, akko a foásból t idő y alatt P t enegia lép be a közegbe, és tejed tova c P sebességgel a hullámban. O Ha a közegben nincs enegiaelnyelés, akko a foástól távolsága, az sugaú gömbfelszínén t idő alatt szintén P t enegia áamlik át. Az enegiaáamlás eőssége a gömb felszínén megegyezik a foás teljesítményével, hiszen P / t P. A hullám intenzitása, a gömbszimmetia miatt a gömb felszínén állandó, azaz (), és mivel a gömb felszíne 4π, így P ( ) 4π P 4π A A hengehullám amplitúdójának csökkenése hasonlóan látható be. A A hullámok elnyelődése Láttuk, hogy a tejedés soán enegiaelnyelés hiányában az intenzitás síkhullám esetén állandó, hengehullám esetén /-el aányosan, míg gömbhulláma / -tel aányosan csökken. Ha a közegben a ezgési enegia elnyelődik, például ugalmas hullám esetén a belső súlódás miatt hővé alakul, akko a hullám intenzitása gyosabban csökken a távolság függvényében. Az tengely iányába tejedő hamonikus síkhullám esetén az intenzitás csökkenése a tapasztalat szeint általában eponenciális, azaz µ ( ) e az intenzitás az helyen, és µ a közeg elnyelési (abszopciós) tényezője. Magyaázat: Ha a közeg és + közé eső kicsi észében elnyelt enegia, és így a intenzitás csökkenése aányos az intenzitással és a közeg vastagságával, akko µ d d µ ( ) Az /µ az a távolság, amely alatt a hullám intenzitása e-ad észée csökken. Mivel /µ aa jellemző, hogy a hullám milyen mélyen hatol a közegbe, behatolási mélységnek nevezik. e µ A hullámban ezgő mennyiség té- és időbeli függését leíó fomula: Ψ (, A e ( µ ) sin ω t + α