• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Open & Closed Pipe (Physics): Differences, Resonance & Equation

    Fysikens vågor täcker ett brett spektrum av fenomen, från vardagliga vågor som vatten, till ljus, ljud och till och med ner på den subatomära nivån, där vågorna beskriver beteende hos partiklar som elektroner. Alla dessa vågor uppvisar liknande egenskaper och har samma viktiga egenskaper som beskriver deras former och beteende.

    En av de mest intressanta egenskaperna hos en våg är förmågan att bilda en "stående våg." Lär dig det konceptet. i de välbekanta termerna av ljudvågor hjälper dig att förstå hur många musikinstrument fungerar, liksom att lägga några viktiga grundläggande för när du lär dig om banor av elektron i kvantmekanik.
    Ljudvågor

    Ljud är en längsgående våg, vilket betyder att vågen varierar i samma riktning som den rör sig. För ljud kommer denna variation i form av en serie kompressioner (regioner med ökad densitet) och sällsynta effekter (regioner med minskad densitet) i det medium genom vilket det rör sig, till exempel luft eller ett fast föremål.

    Det faktum att en ljudvåg är longitudinell innebär att kompressionerna och sällsyntheten träffar trumhinnan efter varandra, snarare än flera "våglängder" som träffar den samtidigt. Ljus är däremot en tvärgående våg, så vågformen är i rät vinkel mot den riktning den rör sig.

    Ljudvågor skapas av svängningar, oavsett om dessa kommer från dina stämband, den gitarrens vibrerande sträng (eller andra svängande delar av musikinstrument), en stämgaffel eller en hög med rätter kraschar mot golvet. Alla dessa källor skapar kompressioner och motsvarande sällsyntheter i luften som omger dem, och det rör sig som ljud (beroende på tryckvågens intensitet).

    Dessa svängningar måste resa genom ett slags medium för annars vore ingenting för att skapa komprimerings- och rarefactionregioner, och så reser ljudet bara med en begränsad hastighet. Ljudets hastighet i luften (vid 20 grader Celsius) är cirka 344 m /s, men den rör sig faktiskt snabbare i vätskor och fasta ämnen, med en hastighet på 1 483 m /s i vatten (vid 20 C) och 4,512 m /s i stål.
    Vad är resonans?

    Vibrationer och svängningar tenderar att ha det som kan betraktas som en naturlig frekvens, eller resonansfrekvens
    . I mekaniska system är resonans namnet på förstärkning av ljud eller andra vibrationer som uppstår när du tillämpar en periodisk kraft på objektets resonansfrekvens.

    I huvudsak genom att applicera kraften i tid med den naturliga frekvensen vid vilken ett objekt vibrerar eller oscillerar, du kan förstärka eller förlänga rörelsen - tänk på att skjuta ett barn på en gunga och tima dina tryck med den befintliga rörelsen för gyngen.

    Resonansfrekvenser för ljud är i princip samma. En klassisk demonstration med avstämningsgafflar visar konceptet tydligt: Två identiska avstämningsgafflar är fästa på ljudlådor (vilket väsentligen förstärker ljudet på samma sätt som ljudrutan i en akustisk gitarr gör för gitarrsträngens svängning), och en av dem är slog med en gummiklubba. Detta startar luften runt den vibrerar, och du kan höra tonhöjden som produceras av gaffelens naturliga frekvens.

    Men om du stoppar gaffeln som du slår från att vibrera kommer du fortfarande att höra samma ljud, bara kommer från den andra gaffeln. Eftersom de två gafflarna har samma resonansfrekvenser, rörde luften som orsakas av vibrationerna i luften orsakad av den första gaffeln faktiskt den andra gick också att vibrera.

    Den specifika resonansfrekvensen för ett visst objekt beror på dess egenskaper - till exempel för en sträng beror det på dess spänning, massa och längd.
    Standing Sound Waves

    Ett stående vågmönster
    är när en våg svänger men gör inte verkar inte flytta. Detta orsakas faktiskt av superpositionen av två eller flera vågor, som reser i olika riktningar men var och en har samma frekvens.

    Eftersom frekvensen är densamma, ställer vågornas krön upp perfekt, och det är konstruktiva störningar - med andra ord läggs de två vågorna samman och ger en större störning än vad som helst skulle göra på egen hand. Denna konstruktiva störning växlar med destruktiv interferens - där de två vågorna avbryter varandra ut - för att producera det stående vågmönstret.

    Om ett ljud med en viss frekvens skapas nära ett rör fyllt med luft, kommer en stående ljudvåg kan skapas i röret. Detta ger resonans, vilket förstärker ljudet som produceras av den ursprungliga vågen. Detta fenomen understödjer funktionen hos många musikinstrument.
    Ljudvågor i ett öppet rör |

    För ett öppet rör (det vill säga ett rör med öppna ändar på varje sida) kan en stående våg bildas om ljudets våglängd tillåter att det finns en antinod
    i vardera änden. En nod
    är en punkt på en stående våg där ingen rörelse äger rum, så den förblir i sitt viloläge, medan en antinod är en punkt där det finns mest rörelse (motsatsen till en nod).

    Det lägsta frekvensvågsmönstret har en antinod vid varje öppen ände av röret, med en nod i mitten. Frekvensen där detta händer kallas grundfrekvensen eller den första harmoniken.

    Våglängden förknippad med denna grundfrekvens är 2_L_, där längden, L
    , avser rörets längd. Stående vågor kan skapas vid högre frekvenser än grundfrekvensen och var och en lägger till en extra nod till rörelsen. Till exempel är den andra harmoniken en stående våg med två noder, den tredje harmoniken har tre noder och så vidare.

    Där grundfrekvensen är f
    1, är frekvensen för n_th harmoniken ges av _f
    n \u003d nf
    1, och dess våglängd är 2_L_ / n
    , där L
    hänvisar igen till rörets längd.
    Ljudvågor i ett stängt rör |

    Ett stängt rör är ett där den ena änden är öppen och den andra är stängd, och som öppna rör kan dessa bildas en stående våg med ljud med lämplig frekvens. I det här fallet kan det finnas en stående våg när våglängden tillåter en antinod vid rörets öppna ände och en nod vid den stängda änden.

    För ett stängt rör är det vågmönster med lägsta frekvens ( den grundläggande frekvensen eller den första harmoniska) har bara en nod och en antinod. För ett stängt rör med längden L
    produceras den grundläggande stående vågen när våglängden är 4_L_.

    Återigen kan det finnas stående vågor som produceras vid högre frekvenser än grundfrekvensen, och dessa kallas övertoner. Emellertid är det bara udda harmoniska med ett stängt rör, men var och en av dem producerar fortfarande ett lika stort antal noder och antinoder. Frekvensen för n_th harmoniken är _f
    n \u003d nf
    1, där f
    1 är den grundläggande frekvensen och n
    kan bara vara udda. Våglängden för n_th harmoniken är 4_L
    / n
    , och kommer ihåg att n
    måste vara ett udda heltal.
    Applications of Open and Closed Pipe Resonance

    De mest kända tillämpningarna av de koncept du har lärt dig är musikinstrument, särskilt träblåsinstrument som klarinett, flöjt och saxofon. Flöjten är ett exempel på ett öppet rörinstrument, och så ger den stående vågor och resonans när det finns en antinod i båda ändarna.

    Klarinetter och saxofoner är exempel på stängda rörinstrument som ger resonans när det finns en nod i den slutna änden (även om den inte är helt stängd på grund av munstycket, reflekterar ljudvågorna fortfarande som om det är) och en antinod i den öppna änden.

    Naturligtvis hålen på den riktiga -världsinstrument komplicerar saker något. För att förenkla situationen något kan rörets "effektiva längd" dock beräknas baserat på positionen för det första öppna hålet eller nyckeln. Slutligen produceras den initiala vibrationen som leder till resonansen antingen av ett vibrerande vass eller av musikerens läppar mot munstycket.

    © Vetenskap http://sv.scienceaq.com