Passons à la considération des phénomènes sonores.

Le monde des sons qui nous entourent est varié - les voix des gens et la musique, le chant des oiseaux et le bourdonnement des abeilles, le tonnerre pendant un orage et le bruit de la forêt dans le vent, le bruit des voitures, des avions et d'autres objets qui passent .

Faites attention!

Les sources sonores sont des corps vibrants.

Exemple:

Nous fixons une règle en métal élastique dans un étau. Si sa partie libre, dont la longueur est choisie d'une certaine manière, est mise en mouvement oscillatoire, la règle émettra un son (Fig. 1).

Ainsi, la règle oscillante est la source du son.

Considérons l'image d'une corde sonore dont les extrémités sont fixes (Fig. 2). Les contours flous de cette corde et l'épaississement apparent au milieu indiquent que la corde vibre.

Si vous rapprochez l'extrémité de la bande de papier de la corde sonore, la bande rebondira sous les chocs de la corde. Tant que la corde vibre, un son se fait entendre ; arrêtez la corde et le son s'arrête.

La figure 3 montre un diapason - une tige métallique incurvée sur une jambe, qui est montée sur un boîtier de résonateur.

Si vous frappez le diapason avec un marteau doux (ou dessinez un arc dessus), le diapason sonnera (Fig. 4).

Apportons une boule lumineuse (une perle de verre) suspendue à un fil à un diapason sonore - la boule rebondira sur le diapason, indiquant les vibrations de ses branches (Fig. 5).

Afin « d'enregistrer » les vibrations d'un diapason avec une petite fréquence propre (de l'ordre de \(16\) Hz) et une grande amplitude d'oscillation, une bande métallique fine et étroite avec une pointe à l'extrémité peut être vissée à l'extrémité d'une de ses branches. La pointe doit être pliée et légèrement touchée avec une plaque de verre fumé posée sur la table. Lorsque la plaque se déplace rapidement sous les branches oscillantes du diapason, la pointe laisse une marque sur la plaque sous la forme d'une ligne ondulée (Fig. 6).

La ligne ondulée dessinée sur la plaque avec une pointe est très proche d'une sinusoïde. Ainsi, on peut supposer que chaque branche du diapason sonore effectue des oscillations harmoniques.

Diverses expériences montrent que toute source sonore oscille nécessairement, même si ces oscillations sont imperceptibles à l'œil. Par exemple, les sons de la voix des personnes et de nombreux animaux résultent des vibrations de leurs cordes vocales, du son des instruments de musique à vent, du son d'une sirène, du sifflement du vent, du bruissement des feuilles et les coups de tonnerre sont dus aux fluctuations des masses d'air.

Faites attention!

Tous les corps vibrants ne sont pas une source de son.

Par exemple, un poids vibrant suspendu à un fil ou à un ressort ne fait pas de bruit. Une règle métallique cessera également de sonner si son extrémité libre est allongée de sorte que la fréquence de ses oscillations devienne inférieure à \ (16 \) Hz.

L'oreille humaine est capable de percevoir comme un son des vibrations mécaniques d'une fréquence allant de \(16\) à \(20000\) Hz (généralement transmises dans l'air).

Les vibrations mécaniques, dont la fréquence est comprise entre \(16\) et \(20000\) Hz, sont appelées son.

Les limites indiquées de la plage sonore sont conditionnelles, car elles dépendent de l'âge des personnes et des caractéristiques individuelles de leur aide auditive. Habituellement, avec l'âge, la limite de fréquence supérieure des sons perçus diminue de manière significative - certaines personnes âgées peuvent entendre des sons dont les fréquences ne dépassent pas \(6000\) Hz. Les enfants, au contraire, peuvent percevoir des sons dont la fréquence est légèrement supérieure à \ (20 000 \) Hz.

Les vibrations mécaniques dont la fréquence dépasse \(20 000\) Hz sont appelées ultrasons, et les vibrations dont la fréquence est inférieure à \(16\) Hz sont appelées infrasonores.

Les ultrasons et les infrasons sont aussi répandus dans la nature que les ondes sonores. Ils sont émis et utilisés pour leurs "négociations" par les dauphins, les chauves-souris et quelques autres êtres vivants.

Le son est causé par des vibrations mécaniques dans des milieux et des corps élastiques, dont les fréquences se situent dans la plage de 20 Hz à 20 kHz et que l'oreille humaine peut percevoir.

En conséquence, les vibrations mécaniques avec les fréquences indiquées sont appelées son et acoustique. Les vibrations mécaniques inaudibles dont les fréquences sont inférieures à la plage sonore sont appelées infrasonores, et celles dont les fréquences sont supérieures à la plage sonore sont appelées ultrasons.

Si un corps sonore, comme une cloche électrique, est placé sous la cloche d'une pompe à air, alors à mesure que l'air est pompé, le son deviendra de plus en plus faible et, finalement, il s'arrêtera complètement. La transmission des vibrations du corps sonore s'effectue par l'air. A noter que lors de ses vibrations, le corps sonore lors de ses vibrations comprime alternativement l'air adjacent à la surface du corps, puis, au contraire, crée une raréfaction dans cette couche. Ainsi, la propagation du son dans l'air commence par des fluctuations de la densité de l'air à la surface d'un corps oscillant.

tonalité musicale. Intensité et hauteur

Le son que nous entendons lorsque sa source fait une oscillation harmonique s'appelle un son musical ou, en bref, un son.

Dans n'importe quel ton musical, nous pouvons distinguer deux qualités à l'oreille : le volume et la hauteur.

Les observations les plus simples nous convainquent que la tonalité d'une hauteur donnée est déterminée par l'amplitude des vibrations. Le son du diapason après l'avoir frappé diminue progressivement. Cela se produit avec l'amortissement des oscillations, c'est-à-dire avec une diminution de leur amplitude. Frapper plus fort le diapason, c'est-à-dire en donnant aux vibrations une grande amplitude, on entendra un son plus fort qu'avec un faible impact. La même chose peut être observée avec une corde et en général avec n'importe quelle source sonore.

Si nous prenons plusieurs diapasons de tailles différentes, il ne sera pas difficile de les disposer à l'oreille par ordre croissant de hauteur. Ainsi, ils seront également situés en taille: le plus grand diapason donne le son le plus bas, le plus petit - le son le plus élevé. Ainsi, le pitch est déterminé par la fréquence d'oscillation. Plus la fréquence est élevée, et donc plus la période d'oscillation est courte, plus la hauteur que nous entendons est élevée.

résonance acoustique

Des phénomènes de résonance peuvent être observés sur des vibrations mécaniques de toute fréquence, en particulier sur des vibrations sonores.

Nous mettons côte à côte deux diapasons identiques en tournant les trous des boîtiers sur lesquels ils sont montés l'un vers l'autre. Les caissons sont nécessaires car ils amplifient le son des diapasons. Cela est dû à la résonance entre le diapason et les colonnes d'air contenues dans la boîte ; par conséquent, les boîtes sont appelées résonateurs ou boîtes de résonance.

Frappons l'un des diapasons puis étouffons-le avec nos doigts. Nous entendrons le son du deuxième diapason.

Prenons deux diapasons différents, c'est-à-dire avec des hauteurs différentes et répétez l'expérience. Désormais, chacun des diapasons ne répondra plus au son d'un autre diapason.

Il n'est pas difficile d'expliquer ce résultat. Les vibrations d'un diapason agissent dans l'air avec une certaine force sur le deuxième diapason, l'amenant à effectuer ses vibrations forcées. Étant donné que le diapason 1 effectue des oscillations harmoniques, la force agissant sur le diapason 2 changera selon la loi des oscillations harmoniques avec la fréquence du diapason 1. Si la fréquence de la force est différente, les oscillations forcées seront si faibles que nous ne les entendrons pas.

Des bruits

On entend un son musical (note) lorsque l'oscillation est périodique. Par exemple, ce type de son est produit par une corde de piano. Si vous appuyez sur plusieurs touches en même temps, c'est-à-dire faites sonner plusieurs notes, alors la sensation du son musical sera préservée, mais la différence entre les notes consonantes (agréables à l'oreille) et dissonantes (désagréables) ressortira clairement. Il s'avère que les notes dont les périodes sont dans des rapports de petits nombres concordent. Par exemple, la consonance est obtenue lorsque le rapport des périodes est de 2:3 (quinte), à ​​3:4 (quantum), 4:5 (tierce majeure), etc. Si les périodes sont liées en grands nombres, par exemple 19:23, une dissonance est obtenue - un son musical mais désagréable. On ira encore plus loin de la périodicité des vibrations si on appuie sur plusieurs touches en même temps. Le son sera bruyant.

Les bruits se caractérisent par une forte non périodicité de la forme de l'oscillation : soit il s'agit d'une oscillation longue, mais de forme très complexe (sifflement, grincement), soit des émissions individuelles (clics, cognements). De ce point de vue, les sons exprimés par des consonnes (sifflement, labial, etc.) doivent également être attribués à des bruits.

Dans tous les cas, les oscillations de bruit consistent en un grand nombre d'oscillations harmoniques de fréquences différentes.

Ainsi, le spectre d'une oscillation harmonique est constitué d'une seule fréquence. Pour une oscillation périodique, le spectre se compose d'un ensemble de fréquences - la fondamentale et ses multiples. Avec les consonnes, nous avons un spectre composé de plusieurs de ces ensembles de fréquences, les principaux étant liés à de petits nombres entiers. Dans les harmonies dissonantes, les fréquences fondamentales ne sont plus dans une relation aussi simple. Plus il y a de fréquences différentes dans le spectre, plus on se rapproche du bruit. Les bruits typiques ont des spectres dans lesquels il existe un très grand nombre de fréquences.

Une onde sonore (vibrations sonores) est une vibration mécanique des molécules d'une substance (par exemple, l'air) transmise dans l'espace.

Mais tous les corps oscillants ne sont pas une source de son. Par exemple, une masse oscillante suspendue à un fil ou à un ressort ne fait pas de bruit. Une règle en métal cessera également de sonner si vous la déplacez dans un étau et allongez ainsi l'extrémité libre de sorte que sa fréquence d'oscillation devienne inférieure à 20 Hz. Des études ont montré que l'oreille humaine est capable de percevoir comme un son les vibrations mécaniques des corps se produisant à une fréquence de 20 Hz à 20 000 Hz. Par conséquent, les vibrations dont les fréquences se situent dans cette plage sont appelées sons. Les vibrations mécaniques dont la fréquence dépasse 20 000 Hz sont appelées ultrasons et les vibrations dont les fréquences sont inférieures à 20 Hz sont appelées infrasons. Il convient de noter que ces limites de la plage sonore sont arbitraires, car elles dépendent de l'âge des personnes et des caractéristiques individuelles de leur aide auditive. Habituellement, avec l'âge, la limite de fréquence supérieure des sons perçus diminue considérablement - certaines personnes âgées peuvent entendre des sons dont les fréquences ne dépassent pas 6000 Hz. Les enfants, au contraire, peuvent percevoir des sons dont la fréquence est légèrement supérieure à 20 000 Hz. Des oscillations dont les fréquences sont supérieures à 20 000 Hz ou inférieures à 20 Hz sont entendues par certains animaux. Le monde est rempli d'une grande variété de sons : le tic-tac des horloges et le grondement des moteurs, le bruissement des feuilles et le hurlement du vent, le chant des oiseaux et la voix des gens. À propos de la naissance des sons et de ce qu'ils représentent, les gens ont commencé à deviner il y a très longtemps. Ils ont remarqué, par exemple, que le son est créé par des corps qui vibrent dans l'air. Même l'ancien philosophe grec et scientifique-encyclopédiste Aristote, sur la base d'observations, a correctement expliqué la nature du son, estimant que le corps sonore crée une compression et une raréfaction alternées de l'air. Ainsi, une corde oscillante comprime maintenant, puis raréfie l'air, et en raison de l'élasticité de l'air, ces influences alternées sont transmises plus loin dans l'espace - de couche en couche, des ondes élastiques apparaissent. Parvenant à notre oreille, ils agissent sur les tympans et provoquent la sensation sonore. A l'oreille, une personne perçoit des ondes élastiques ayant une fréquence allant d'environ 16 Hz à 20 kHz (1 Hz - 1 oscillation par seconde). Conformément à cela, les ondes élastiques dans tout milieu dont les fréquences se situent dans les limites indiquées sont appelées ondes sonores ou simplement son. Dans l'air à une température de 0°C et à pression normale, le son se propage à une vitesse de 330 m/s, dans eau de mer- environ 1500 m/s, dans certains métaux la vitesse du son atteint 7000 m/s. Les ondes élastiques dont la fréquence est inférieure à 16 Hz sont appelées infrasons et les ondes dont la fréquence dépasse 20 kHz sont appelées ultrasons.

La source du son dans les gaz et les liquides peut être non seulement des corps vibrants. Par exemple, une balle et une flèche sifflent en vol, le vent hurle. Et le rugissement d'un avion à turboréacteur consiste non seulement en le bruit des unités de fonctionnement - un ventilateur, un compresseur, une turbine, une chambre de combustion, etc., mais aussi en le bruit d'un courant-jet, d'un vortex, de flux d'air turbulents qui se produisent lorsque l'avion circule à grande vitesse. Un corps se précipitant rapidement dans l'air ou l'eau, pour ainsi dire, brise le flux qui l'entoure, génère périodiquement des zones de raréfaction et de compression dans le milieu. Le résultat est des ondes sonores. Le son peut se propager sous forme d'ondes longitudinales et transversales. Dans un milieu gazeux et liquide, seules des ondes longitudinales apparaissent, lorsque le mouvement oscillatoire des particules ne se produit que dans la direction dans laquelle l'onde se propage. Dans les solides, en plus des ondes longitudinales, des ondes transversales apparaissent également lorsque les particules du milieu oscillent dans des directions perpendiculaires à la direction de propagation des ondes. Là, en frappant la corde perpendiculairement à sa direction, on fait courir l'onde le long de la corde. L'oreille humaine n'est pas également sensible aux sons. fréquence différente. Il est le plus sensible aux fréquences de 1000 à 4000 Hz. A très haute intensité, les ondes ne sont plus perçues comme des sons, provoquant une sensation de douleur pressante dans les oreilles. L'intensité des ondes sonores à laquelle cela se produit s'appelle le seuil de la douleur. Les notions de tonalité et de timbre du son sont également importantes dans l'étude du son. N'importe quel son réel, que ce soit une voix humaine ou un jeu instrument de musique, n'est pas une simple oscillation harmonique, mais une sorte de mélange de plusieurs oscillations harmoniques avec un certain ensemble de fréquences. Celui dont la fréquence est la plus basse est appelé le ton fondamental, les autres sont des harmoniques. Un nombre différent d'harmoniques inhérentes à un son particulier lui donne une couleur spéciale - timbre. La différence entre un timbre et un autre est due non seulement au nombre, mais aussi à l'intensité des harmoniques qui accompagnent le son du ton fondamental. Par timbre, nous pouvons facilement distinguer les sons du violon et du piano, de la guitare et de la flûte, nous reconnaissons les voix des personnes familières.

• Fréquence d'oscillation appelé le nombre d'oscillations complètes par seconde. L'unité de fréquence est 1 hertz (Hz). 1 hertz correspond à une oscillation complète (dans un sens et dans l'autre) se produisant en une seconde.
• Période appelé le temps (s) pendant lequel une oscillation complète se produit. Plus la fréquence d'oscillation est élevée, plus leur période est courte, c'est-à-dire f=1/T. Ainsi, la fréquence des oscillations est d'autant plus grande que leur période est courte, et inversement. La voix humaine crée des vibrations sonores avec une fréquence de 80 à 12 000 Hz, et l'ouïe perçoit des vibrations sonores dans la plage de 16 à 20 000 Hz.
• Amplitude les oscillations sont appelées la plus grande déviation d'un corps oscillant par rapport à sa position d'origine (calme). Plus l'amplitude de vibration est grande, plus le son est fort. Les sons de la parole humaine sont des vibrations sonores complexes, constituées de l'un ou l'autre nombre de vibrations simples, différentes en fréquence et en amplitude. Chaque son de la parole n'a que sa propre combinaison de vibrations de fréquences et d'amplitudes différentes. Par conséquent, la forme des oscillations d'un son de la parole diffère nettement de la forme d'un autre, qui montre les graphiques des oscillations lors de la prononciation des sons a, o et y.

Une personne caractérise tous les sons en fonction de sa perception en termes de volume et de hauteur.

Dans la technologie et le monde qui nous entoure, nous devons souvent faire face à périodique(ou alors presque périodique) processus qui se répètent à intervalles réguliers. De tels processus sont appelés oscillatoire.

Les vibrations sont l'un des processus les plus courants dans la nature et la technologie. Des ailes d'insectes et d'oiseaux en vol, des immeubles de grande hauteur et des fils à haute tension sous l'action du vent, le pendule d'une horloge enroulée et d'une voiture sur ressorts pendant le mouvement, le niveau de la rivière pendant l'année et la température corps humain en cas de maladie, le son est les fluctuations de la densité et de la pression de l'air, les ondes radio sont changements périodiques forces des champs électriques et magnétiques, la lumière visible est aussi des oscillations électromagnétiques, seulement avec une longueur d'onde et une fréquence légèrement différentes, les tremblements de terre sont des vibrations du sol, les battements de pouls sont des contractions périodiques du muscle cardiaque humain, etc.

Les vibrations sont mécaniques, électromagnétiques, chimiques, thermodynamiques et diverses autres. Malgré cette diversité, ils ont tous beaucoup en commun.

Les phénomènes oscillants de diverses natures physiques sont soumis à des lois générales. Par exemple, les fluctuations actuelles de circuit électrique et les oscillations d'un pendule mathématique peuvent être décrites par les mêmes équations. La communauté des régularités oscillatoires permet de considérer des processus oscillatoires de nature diverse d'un point de vue unique. Un signe de mouvement oscillatoire est sa périodicité.

Vibrations mécaniques -Cettemouvements qui se répètent exactement ou approximativement à intervalles réguliers.

Des exemples de systèmes oscillatoires simples sont un poids sur un ressort (pendule à ressort) ou une boule sur un fil (pendule mathématique).

Lors des vibrations mécaniques, les énergies cinétique et potentielle changent périodiquement.

À écart maximal corps de la position d'équilibre, sa vitesse, et par conséquent, et l'énergie cinétique tombe à zéro. Dans cette position énergie potentielle corps oscillant atteint la valeur maximale. Pour une charge sur un ressort, l'énergie potentielle est l'énergie de la déformation élastique du ressort. Pour un pendule mathématique, il s'agit de l'énergie du champ gravitationnel terrestre.

Lorsqu'un corps dans son mouvement traverse Position d'équilibre, sa vitesse est maximale. Le corps saute la position d'équilibre selon la loi d'inertie. En ce moment il a énergie cinétique maximale et énergie potentielle minimale. Une augmentation de l'énergie cinétique se produit au détriment d'une diminution de l'énergie potentielle.

Avec un mouvement supplémentaire, l'énergie potentielle commence à augmenter en raison de la diminution de l'énergie cinétique, etc.

Ainsi, avec les vibrations harmoniques, il y a une transformation périodique de l'énergie cinétique en énergie potentielle et vice versa.

S'il n'y a pas de frottement dans le système oscillatoire, l'énergie mécanique totale lors des vibrations mécaniques reste inchangée.

Pour charge de ressort:

En position de déflexion maximale, l'énergie totale du pendule est égale à l'énergie potentielle du ressort déformé :

Lors du passage par la position d'équilibre, l'énergie totale est égale à l'énergie cinétique de la charge :

Pour les petites oscillations d'un pendule mathématique:

Dans la position de déviation maximale, l'énergie totale du pendule est égale à l'énergie potentielle du corps élevé à une hauteur h :

Lors du passage par la position d'équilibre, l'énergie totale est égale à l'énergie cinétique du corps :

Ici h m est la hauteur de levage maximale du pendule dans le champ gravitationnel terrestre, x m et υ m = ω 0 x m sont les écarts maximaux du pendule par rapport à la position d'équilibre et sa vitesse.

Les oscillations harmoniques et leurs caractéristiques. Équation d'oscillation harmonique.

Le type le plus simple de processus oscillatoire est simple vibrations harmoniques, qui sont décrits par l'équation

X = x m cos(ω t + φ 0).

Ici X- déplacement du corps de la position d'équilibre,
xm- l'amplitude des oscillations, c'est-à-dire le déplacement maximal par rapport à la position d'équilibre,
ω – fréquence cyclique ou circulaire hésitation,
t- temps.

Caractéristiques du mouvement oscillatoire.

Décalage x -écart du point oscillant par rapport à la position d'équilibre. L'unité de mesure est 1 mètre.

Amplitude d'oscillation A - l'écart maximal du point oscillant par rapport à la position d'équilibre. L'unité de mesure est 1 mètre.

Période d'oscillationJ- l'intervalle de temps minimum pendant lequel une oscillation complète se produit est appelé. L'unité de mesure est 1 seconde.

où t est le temps d'oscillation, N est le nombre d'oscillations effectuées pendant ce temps.

Selon le graphique des oscillations harmoniques, vous pouvez déterminer la période et l'amplitude des oscillations :

Fréquence d'oscillation ν – une quantité physique égale au nombre d'oscillations par unité de temps.

La fréquence est l'inverse de la période d'oscillation :

La fréquence oscillations ν montre combien d'oscillations se produisent en 1 s. L'unité de fréquence est hertz(Hz).

Fréquence cyclique ω est le nombre d'oscillations en 2π secondes.

La fréquence d'oscillation ν est liée à fréquence cyclique ω et période d'oscillation J ratios :

Phase processus harmonique - une valeur qui est sous le signe du sinus ou du cosinus dans l'équation des oscillations harmoniques φ = ω t+ φ 0 . À t= 0 φ = φ 0 , donc φ 0 appelé phase initiale.

Graphique des oscillations harmoniques est une onde sinusoïdale ou une onde cosinusoïdale.

Dans les trois cas pour les courbes bleues φ 0 = 0 :

seul plus grand amplitude(x" m > x m);

la courbe rouge est différente de la bleue seul sens période(T" = T / 2);

la courbe rouge est différente de la bleue seul sens phase initiale(content).

Lorsque le corps oscille le long d'une ligne droite (axe BŒUF) le vecteur vitesse est toujours dirigé le long de cette droite. La vitesse du corps est déterminée par l'expression

En mathématiques, la procédure pour trouver la limite du rapport Δx / Δt à Δ t→ 0 est appelé le calcul de la dérivée de la fonction X(t) par heure t et est noté comme X"(t).La vitesse est égale à la dérivée de la fonction x( t) par heure t.

Pour la loi harmonique du mouvement X = x m cos(ω t+ φ 0) le calcul de la dérivée conduit au résultat suivant :

υ X =X"(t)= ω x m sin(ω t + φ 0)

L'accélération est définie de la même manière un x corps soumis à des vibrations harmoniques. Accélération un est égal à la dérivée de la fonction υ( t) par heure t, ou la dérivée seconde de la fonction X(t). Les calculs donnent :

un x \u003d υ x "(t) =X""(t)= -ω 2 x m cos(ω t+ φ 0)=-ω 2 X

Le signe moins dans cette expression signifie que l'accélération un(t) a toujours le signe opposé du décalage X(t), et, par conséquent, selon la deuxième loi de Newton, la force qui amène le corps à effectuer des oscillations harmoniques est toujours dirigée vers la position d'équilibre ( X = 0).

La figure montre des graphiques des coordonnées, de la vitesse et de l'accélération d'un corps qui effectue des oscillations harmoniques.

Graphiques de la coordonnée x(t), de la vitesse υ(t) et de l'accélération a(t) d'un corps effectuant des oscillations harmoniques.

Pendule à ressort.

Pendule à ressortappelons une charge d'une certaine masse m, attachée à un ressort de raideur k, dont la seconde extrémité est fixe immobile.

fréquence naturelleω 0 vibrations libres de la charge sur le ressort se trouve par la formule :

Période J les vibrations harmoniques de la charge sur le ressort sont égales à

Cela signifie que la période d'oscillation d'un pendule à ressort dépend de la masse de la charge et de la raideur du ressort.

Propriétés physiques du système oscillatoire déterminer uniquement la fréquence d'oscillation propre ω 0 et la période J . Des paramètres du processus d'oscillation tels que l'amplitude x m et la phase initiale φ 0 , sont déterminées par la façon dont le système a été mis hors d'équilibre à l'instant initial.

Pendule mathématique.

Pendule mathématiqueappelé un corps de petite taille, suspendu à un mince fil inextensible, dont la masse est négligeable par rapport à la masse du corps.

En position d'équilibre, lorsque le pendule est suspendu à un fil à plomb, la force de gravité est équilibrée par la force de tension du fil N. Lorsque le pendule s'écarte de la position d'équilibre d'un certain angle φ, une composante tangentielle de la force de gravité apparaît F τ = – mg péché phi. Le signe moins dans cette formule signifie que la composante tangentielle est dirigée dans la direction opposée à la déviation du pendule.

Pendule mathématique.φ - écart angulaire du pendule par rapport à la position d'équilibre,

X= lφ – déplacement du pendule le long de l'arc

La fréquence propre des petites oscillations d'un pendule mathématique s'exprime par la formule :

Période d'oscillation d'un pendule mathématique :

Cela signifie que la période d'oscillation d'un pendule mathématique dépend de la longueur du fil et de l'accélération chute libre la zone où le pendule est installé.

Vibrations libres et forcées.

Les oscillations mécaniques, comme les processus oscillatoires de toute autre nature physique, peuvent être libre et forcé.

Vibrations gratuites -Ce sont des oscillations qui se produisent dans le système sous l'action de forces internes, après que le système a été sorti d'une position d'équilibre stable.

Les oscillations d'un poids sur un ressort ou les oscillations d'un pendule sont des oscillations libres.

À conditions réelles tout système oscillatoire est sous l'influence de forces de frottement (résistance). Dans ce cas, une partie de l'énergie mécanique est convertie en énergie interne du mouvement thermique des atomes et des molécules, et les vibrations deviennent décoloration.

Déclinant appelées vibrations, dont l'amplitude diminue avec le temps.

Pour que les oscillations ne s'amortissent pas, il est nécessaire de donner de l'énergie supplémentaire au système, c'est-à-dire agir sur le système oscillatoire avec une force périodique (par exemple, balancer une balançoire).

Les oscillations qui se produisent sous l'influence d'une force externe changeant périodiquement sont appeléesforcé.

La force externe effectue un travail positif et fournit un afflux d'énergie au système oscillatoire. Il ne permet pas aux oscillations de s'estomper, malgré l'action des forces de frottement.

Une force extérieure périodique peut varier dans le temps selon diverses lois. Le cas est particulièrement intéressant lorsqu'une force externe, évoluant selon une loi harmonique avec une fréquence ω, agit sur un système oscillant capable d'effectuer des oscillations naturelles à une certaine fréquence ω 0 .

Si des vibrations libres se produisent à une fréquence ω 0 , qui est déterminée par les paramètres du système, alors des oscillations forcées régulières se produisent toujours sur fréquence ω de la force externe .

Le phénomène d'une forte augmentation de l'amplitude des oscillations forcées lorsque la fréquence des oscillations naturelles coïncide avec la fréquence de la force motrice externe est appelérésonance.

Dépendance à l'amplitude x m les oscillations forcées à partir de la fréquence ω de la force motrice sont appelées caractéristique de résonance ou alors courbe de résonance.

Courbes de résonance à différents niveaux atténuation:

1 - système oscillatoire sans frottement ; à la résonance, l'amplitude x m des oscillations forcées augmente indéfiniment ;

2, 3, 4 - courbes de résonance réelles pour les systèmes oscillatoires avec différents frottements.

En l'absence de frottement, l'amplitude des oscillations forcées à la résonance devrait augmenter indéfiniment. En conditions réelles, l'amplitude des oscillations forcées en régime permanent est déterminée par la condition suivante : le travail d'une force externe pendant la période d'oscillations doit être égal à la perte d'énergie mécanique pendant le même temps due au frottement. Moins il y a de frottement, plus l'amplitude des oscillations forcées à la résonance est grande.

Le phénomène de résonance peut provoquer la destruction de ponts, bâtiments et autres structures, si les fréquences naturelles de leurs oscillations coïncident avec la fréquence d'une force agissant périodiquement, qui est apparue, par exemple, en raison de la rotation d'un moteur déséquilibré.

Son- Ce sont des ondes longitudinales élastiques d'une fréquence de 20 Hz à 20 000 Hz, qui provoquent des sensations auditives chez une personne.

Source sonore- divers corps oscillants, comme une corde bien tendue ou une fine plaque d'acier, serrée d'un côté.

Comment se produisent les mouvements oscillatoires ? Il suffit de tirer et de relâcher la corde d'un instrument de musique ou une plaque d'acier serrée à une extrémité dans un étau, car elles produiront un son. Les vibrations d'une corde ou d'une plaque métallique sont transmises à l'air ambiant. Lorsque la plaque dévie, par exemple, vers la droite, elle comprime (comprime) les couches d'air qui lui sont adjacentes à droite; dans ce cas, la couche d'air adjacente à la plaque du côté gauche sera raréfiée. Lorsque la plaque dévie vers le côté gauche, elle comprime les couches d'air sur la gauche et raréfie les couches d'air qui lui sont adjacentes sur le côté droit, etc. La compression et la raréfaction des couches d'air adjacentes à la plaque seront transférées aux couches voisines. Ce processus sera répété périodiquement, en s'affaiblissant progressivement, jusqu'à ce que les oscillations s'arrêtent complètement.

Ainsi, les vibrations d'une corde ou d'une plaque excitent les vibrations de l'air ambiant et, se propageant, atteignent l'oreille d'une personne, faisant vibrer son tympan, provoquant une irritation du nerf auditif, que nous percevons comme un son.

Vitesse des ondes sonores environnements différents. Cela dépend de l'élasticité du milieu dans lequel ils se propagent. Le son se propage le plus lentement dans les gaz. Dans l'air, la vitesse de propagation des vibrations sonores est en moyenne de 330 m/s, mais elle peut varier en fonction de son humidité, de sa pression et de sa température. Le son ne se propage pas dans l'espace sans air. Le son se propage plus rapidement dans les liquides. Dans les solides - encore plus rapide. Dans un rail en acier, par exemple, le son se propage à une vitesse de » 5000 m/s.

À dissémination le son en atomes et les molécules vibrent sur direction de propagation des ondes, puis le son - onde longitudinale.

CARACTÉRISTIQUES SONORE

1. Volume. L'intensité dépend de l'amplitude des vibrations de l'onde sonore. Le volume le son est déterminé amplitude vagues.

L'unité de volume sonore est 1 bel (en l'honneur d'Alexander Graham Bell, l'inventeur du téléphone). L'intensité d'un son est de 1 B si sa puissance est de 10 fois le seuil d'audibilité.

En pratique, la sonie se mesure en décibels (dB).

1 dB = 0,1B. 10 dB - murmure ; 20–30 dB - norme de bruit dans les locaux d'habitation;
50 dB - conversation de volume moyen ;
70 dB - bruit de machine à écrire;
80 dB - bruit du moteur un camion;
120 dB - bruit d'un tracteur en fonctionnement à une distance de 1 m
130 dB - seuil de douleur.

Un son supérieur à 180 dB peut même provoquer une rupture du tympan.

2. Emplacement. Hauteur le son est déterminé la fréquence ondes, ou la fréquence de vibration de la source sonore.

• basse - 80-350 Hz,
• baryton - 110-149 Hz,
• ténor - 130-520 Hz,
• aigus - 260–1000 Hz,
• sopranos - 260-1050 Hz,
• soprano colorature - jusqu'à 1400 Hz.

L'oreille humaine est capable de percevoir des ondes élastiques avec une fréquence d'environ de 16 Hz à 20 kHz. Comment entend-on ?

Analyseur auditif humain - oreille- se compose de quatre parties :

l'oreille externe

L'oreille externe comprend le pavillon, le conduit auditif et la membrane tympanique, qui recouvre l'extrémité interne du conduit auditif. Le conduit auditif a une forme incurvée irrégulière. Chez un adulte, il mesure environ 2,5 cm de long et environ 8 mm de diamètre. La surface du conduit auditif est recouverte de poils et contient des glandes qui sécrètent du cérumen, nécessaire au maintien de l'hydratation de la peau. Le méat auditif fournit également une température et une humidité constantes de la membrane tympanique.

Oreille moyenne

L'oreille moyenne est une cavité remplie d'air derrière le tympan. Cette cavité se connecte au nasopharynx par la trompe d'Eustache, un canal cartilagineux étroit généralement fermé. La déglutition ouvre la trompe d'Eustache, ce qui permet à l'air d'entrer dans la cavité et d'égaliser la pression des deux côtés du tympan pour une mobilité optimale. L'oreille moyenne contient trois osselets auditifs miniatures : le marteau, l'enclume et l'étrier. Une extrémité du marteau est reliée à la membrane tympanique, son autre extrémité est reliée à l'enclume, qui, à son tour, est reliée à l'étrier, et l'étrier à la cochlée de l'oreille interne. La membrane tympanique oscille constamment sous l'influence des sons captés par l'oreille, et les osselets auditifs transmettent ses vibrations à l'oreille interne.

oreille interne

L'oreille interne contient plusieurs structures, mais seule la cochlée, qui tire son nom de sa forme en spirale, est pertinente pour l'audition. La cochlée est divisée en trois canaux remplis de fluides lymphatiques. Le fluide dans le canal du milieu diffère en composition du fluide dans les deux autres canaux. L'organe directement responsable de l'ouïe (l'organe de Corti) est situé dans le canal médian. L'organe de Corti contient environ 30 000 cellules ciliées, qui captent les fluctuations du liquide dans le canal causées par le mouvement de l'étrier et génèrent des impulsions électriques qui sont transmises le long du nerf auditif au cortex auditif du cerveau. Chaque cellule ciliée répond à une fréquence sonore spécifique, les hautes fréquences étant captées par les cellules de la cochlée inférieure et les cellules syntonisées sur basses fréquences, situé au sommet de la cochlée. Si les cellules ciliées meurent pour une raison quelconque, la personne cesse de percevoir les sons des fréquences correspondantes.

voies auditives

Les voies auditives sont un ensemble de fibres nerveuses qui conduisent les impulsions nerveuses de la cochlée aux centres auditifs du cortex cérébral, entraînant une sensation auditive. Les centres auditifs sont situés dans les lobes temporaux du cerveau. Le temps mis par le signal auditif pour voyager de l'oreille externe aux centres auditifs du cerveau est d'environ 10 millisecondes.

Perception sonore

L'oreille convertit séquentiellement les sons en vibrations mécaniques de la membrane tympanique et des osselets auditifs, puis en vibrations du fluide dans la cochlée, et enfin en impulsions électriques, qui sont transmises le long des voies du système auditif central aux lobes temporaux du cerveau. pour la reconnaissance et le traitement.
Le cerveau et les nœuds intermédiaires des voies auditives extraient non seulement des informations sur la hauteur et l'intensité du son, mais également d'autres caractéristiques du son, par exemple l'intervalle de temps entre les moments où le son est capté par la droite et la gauche. oreilles - c'est la base de la capacité d'une personne à déterminer la direction dans laquelle le son vient. Dans le même temps, le cerveau évalue séparément les informations reçues de chaque oreille et combine toutes les informations reçues en une seule sensation.

Notre cerveau stocke des modèles pour les sons qui nous entourent : voix familières, musique, sons dangereux, etc. Cela aide le cerveau dans le processus de traitement des informations sur le son pour distinguer rapidement les sons familiers des inconnus. Avec la perte auditive, le cerveau commence à recevoir des informations déformées (les sons deviennent plus silencieux), ce qui entraîne des erreurs d'interprétation des sons. D'autre part, les lésions cérébrales dues au vieillissement, aux traumatismes crâniens ou aux maladies et troubles neurologiques peuvent s'accompagner de symptômes similaires à ceux de la perte auditive, tels que l'inattention, le détachement de l'environnement, une réponse inadéquate. Pour entendre et comprendre correctement les sons, le travail coordonné de l'analyseur auditif et du cerveau est nécessaire. Ainsi, sans exagération, on peut dire qu'une personne n'entend pas avec ses oreilles, mais avec son cerveau !

Les animaux perçoivent les ondes d'autres fréquences comme un son.

Ultrason - ondes longitudinales de fréquence supérieure à 20 000 Hz.

L'utilisation des ultrasons.

A l'aide de sonars installés sur les navires, ils mesurent la profondeur de la mer, détectent les bancs de poissons, l'approche d'un iceberg ou d'un sous-marin.

Les ultrasons sont utilisés dans l'industrie pour détecter les défauts des produits.

En médecine, à l'aide d'ultrasons, les os sont soudés, les tumeurs sont détectées et les maladies sont diagnostiquées.

L'effet biologique des ultrasons lui permet d'être utilisé pour stériliser le lait, les substances médicinales et les instruments médicaux.

Les chauves-souris et les dauphins ont des détecteurs à ultrasons parfaits.

Test de physique Vibrations et ondes mécaniques Son pour les élèves de 9e année avec réponses. Le test comprend 2 options, chacune avec 12 tâches.

1 option

1. À vibration libre la boule sur le fil se déplace de la position extrême gauche à la position extrême droite en 0,1 s. Déterminer la période d'oscillation de la balle.

1) 0,1 s
2) 0,2 s
3) 0,3 s
4) 0,4 s

2. La figure montre la dépendance de la coordonnée du centre d'une balle suspendue à un ressort de temps en temps. La fréquence d'oscillation est

1) 0,25Hz
2) 0,5Hz
3) 2Hz
4) 4Hz

3. Combien d'oscillations complètes un point matériel fera-t-il en 10 s si la fréquence d'oscillation est de 220 Hz ?

1) 22
2) 88
3) 440
4) 2200

4. Dans quelles directions oscille une onde longitudinale ?

1) Dans toutes les directions

5. La distance entre les crêtes des vagues les plus proches en mer est de 6 m. Quelle est la période d'impact des vagues sur la coque du bateau si leur vitesse est de 3 m/s ?

1) 0,5 s
2) 2 s
3) 12 s
4) 32 s

6. L'homme a entendu le bruit du tonnerre 10 secondes après l'éclair. Déterminez la vitesse du son dans l'air si la foudre frappe à une distance de 3,3 km de l'observateur.

1) 0,33 m/s
2) 33 m/s
3) 330 m/s
4) 33 km/s

7. Dans quel milieu les ondes sonores voyagent-elles à la vitesse la plus faible ?

1) Dans les solides
2) Dans les liquides
3) Dans les gaz
4) Partout c'est pareil

8. Comment appelle-t-on les vibrations mécaniques dont la fréquence est inférieure à 20 Hz ?

1) Son
2) Ultrasons
3) Infrason

9. Déterminez la longueur de l'onde sonore dans l'air si la fréquence de la source sonore est de 200 Hz. La vitesse du son dans l'air est de 340 m/s.

1) 1,7 m
2) 0,59m
3) 540 mètres
4) 68 000 m

10. Comment la longueur d'une onde sonore changera-t-elle lorsque la fréquence des oscillations de sa source diminuera de 2 fois ?

1) augmentera de 2 fois
2) Diminuer de 2 fois
3) Ne changera pas
4) Diminuer de 4 fois

11. La limite supérieure de la fréquence d'oscillation perçue par l'oreille humaine est de 22 kHz pour les enfants et de 10 kHz pour les personnes âgées. Dans l'air, la vitesse du son est de 340 m/s. Son d'une longueur d'onde de 20 mm

1) seul un enfant entendra
2) seule une personne âgée entendra
3) l'enfant et la personne âgée entendront
4) ni l'enfant ni la personne âgée n'entendront

12. L'écho provoqué par un tir d'arme atteint le tireur 2 s après le tir. Déterminez la distance à l'obstacle à partir duquel la réflexion s'est produite si la vitesse du son dans l'air est de 340 m/s.

1) 170 mètres
2) 340 mètres
3) 680 mètres
4) 1360m

Option 2

1. Avec des vibrations libres, la bille sur le fil se déplace de la position extrême gauche à la position d'équilibre en 0,2 s. Quelle est la période d'oscillation de la balle ?

1) 0,2 s
2) 0,4 s
3) 0,6 s
4) 0,8 s

2. La figure montre la dépendance de la coordonnée du centre d'une balle suspendue à un ressort de temps en temps. L'amplitude d'oscillation est

1) 10cm
2) 20cm
3) -10cm
2) -20cm

3. Lors de la mesure du pouls d'une personne, 150 pulsations sanguines ont été enregistrées en 2 minutes. Déterminer la fréquence de contraction du muscle cardiaque.

1) 0,8Hz
2) 1Hz
3) 1,25Hz
4) 75Hz

4. Dans quelles directions oscille une onde transversale ?

1) Dans toutes les directions
2) Le long de la direction de propagation des ondes
3) Perpendiculaire à la direction de propagation des ondes
4) À la fois dans le sens de la propagation des ondes et perpendiculairement à la propagation des ondes

5. Une onde de fréquence 4 Hz se propage le long de la corde à une vitesse de 6 m/s. La longueur d'onde est

1) 0,75m
2) 1,5 m
3) 24 mètres
4) il n'y a pas assez de données pour résoudre

6. Comment la longueur d'onde changera-t-elle lorsque la fréquence d'oscillation de sa source diminuera de 2 fois ?

1) augmentera de 2 fois
2) Diminuer de 2 fois
3) Ne changera pas
4) Diminuer de 4 fois

7. Dans quel milieu les ondes sonores ne se propagent-elles pas ?

1) Dans les solides
2) Dans les liquides
3) Dans les gaz
4) Dans le vide

8. Comment appelle-t-on les vibrations mécaniques dont la fréquence dépasse 20 000 Hz ?

1) Son
2) Ultrasons
3) Infrason
4) Aucune des réponses n'est correcte

9. Le diapason émet une onde sonore de 0,5 m de long à une vitesse de 340 m/s. Quelle est la fréquence du diapason ?

1) 17Hz
2) 680Hz
3) 170Hz
4) 3400Hz

10. L'oreille humaine peut percevoir des sons avec des fréquences allant de 20 Hz à 20 000 Hz. Quelle gamme de longueurs d'onde correspond à l'intervalle d'audibilité des vibrations sonores ? Prendre la vitesse du son dans l'air égale à 340 m/s.

1) De 20 m à 20 000 m
2) De 6800 m à 6 800 000 m
3) De 0,06 m à 58,8 m
4) De 0.017m à 17m

11. Quels changements une personne remarque-t-elle dans le son avec une augmentation de l'amplitude des oscillations dans une onde sonore ?

1) Lancez-vous
2) Baisser le ton
3) Augmenter le volume
4) Diminuer le volume

12. A quelle distance se trouve l'iceberg du navire si le signal ultrason envoyé par le sonar est reçu après 4 s ? La vitesse des ultrasons dans l'eau est prise égale à 1500 m/s.

1) 375 mètres
2) 750 s
3) 3000 mètres
4) 6000 mètres

Réponses au test en physique Vibrations mécaniques et ondes Son
1 option
1-2
2-1
3-4
4-2
5-2
6-3
7-3
8-3
9-1
10-1
11-1
12-2
Option 2
1-4
2-1
3-3
4-3
5-2
6-1
7-4
8-2
9-2
10-4
11-3
12-3