Elektromagnetické spektrum

Elektromagnetické spektrum

ELEKTROMAGNETICKÉ VLNĚNÍ (ZÁŘENÍ) Elektromagnetické vlnění (jinak: elektromagnetické záření) má dvě navzájem neoddělitelné složky. Elektrickou složku charakterizuje vektor intenzity elektrického pole E, magnetickou složku vektor magnetické indukce B. Vektory E a B jsou navzájem kolmé, mají souhlasnou fázi a jejich kmity probíhají kolmo ke směru, kterým se vlnění šíří. Elektromagnetické vlnění je vlnění příčné a má vlastnosti vlnové (odraz, lom, interference, difrakce, polarizace) a kvantové (fotoelektrický jev). Šíří se vakuem rychlostí c = 3.108 m.s–1. Mezi frekvencí kmitání, vlnovou délkou a rychlostí šíření je vztah: c=λ.f Zopakujte si pojmy související s vlnovou podstatou světla.

OBR. 1

OBR. 2

SPEKTRUM ELEKTROMAGNETICKÉHO VLNĚNÍ Elektromagnetická záření různých vlnových délek tvoří spektrum elektromagnetického záření (někdy zvané Maxwellova duha). Podle vlnové délky resp. frekvence rozlišujeme několik druhů elektromagnetického záření; jejich přehled je v OBR. 3–4. Mezi jednotlivými druhy elektromagnetického záření není ostrá hranice, přechody mezi nimi jsou plynulé nebo se oblasti jednotlivých druhů záření i překrývají. Název vlnění určujeme totiž také podle původu, nikoli jen podle frekvence. Například některé záření gama může mít delší vlnovou délku než některé rentgenové záření. To je možné proto, že záření gama je jméno pro vlnění vzniklé při jaderném štěpení a jiných jaderných procesech, zatímco rentgenové záření vzniká jako brzdné záření či charakteristické záření elektronu (viz další výklad).

OBR. 3

ROZHLASOVÉ VLNY (RADIOVÉ VLNY) Rozhlasové vlny (radiové vlny) mají vlnové délky λ = 103 m až 10–1 m, tedy 1 km až 1 dm. Zdrojem rádiových vln je elektromagnetický oscilátor. Do prostoru se vlnění dostává přes anténu – elektromagnetický dipól (OBR. 2). Kolem dipólu se vytvoří elektromagnetické pole se složkou elektrickou a magnetickou – šíří se prostorem a přenáší energii kmitů oscilátoru. Podrobněji byla problematika popsána v učivu o oscilačních obvodech. 2

Podle vlnové délky se rádiové vlny dělí na: Dlouhé vlny (DV, LF) o frekvencích f = 150 – 300 kHz, tedy vlnových délkách λ = 2000 – 1000 m. Dlouhé vlny se šíří na velké vzdálenosti a lze je zachytit všude, i v údolích, kam se kratší vlnové délky nedostanou. Na dlouhých vlnách vysílá mj. ČRo1 Radiožurnál. Střední vlny (SV, MW, AM): f = 0,5 – 2 MHz; λ = 600 – 150 m. Na středních vlnách vysílá tradičně ČRo2 Praha. Krátké vlny (KV, HF) o frekvencích f = 6 – 20 MHz a vlnových délkách λ = 50 – 15 m se odrážejí od ionosféry, takže mají velký dosah. Byly (a jsou) proto používány k vysílání do cizích zemí (Svobodná Evropa, Hlas Ameriky, BBC). Ionosféra začíná ve výšce 60 – 80 km nad zemským povrchem, obsahuje určité množství molekul vzduchu rozštěpených na ionty a volné elektrony, proto se chová jako vodivá plocha. Stav ionosféry se mění vlivem slunečního záření, proto se mění i podmínky šíření krátkých vln v různých denních a nočních dobách. Velmi krátké vlny (VKV, FM) o frekvencích f = 20 – 300 MHz a vlnových délkách λ = 15 – 1 m se používají k přenosu televizního signálu a stereofonního rozhlasového vysílání FM (87,5 – 108 MHz). Vysílač a přijímač musí být přibližně v přímce, na které není překážka. (Proto se dnes používají satelity.) Pásmo se dělí na dvě části: Very High Frequency (VHF; o frekvencích 30 - 300 MHz, frekvenčně modulované rozhlasové vysílání a některé televizní kanály), Ultra High Frequency (UHF; o frekvencích 0,3 – 3 GHz; vysílají se na nich další televizní kanály). Na VKV vysílají dnes téměř všechny české rozhlasové stanice. Poznámka o uvedených zkratkách: Na prvním místě uvádíme českou zkratku, která je utvořena podle vlnové délky (např. dlouhé vlny). Druhá zkratka je anglická; je zpravidla utvořena podle frekvence (dlouhým vlnám odpovídá nízká frekvence). Konečně zkratky AM resp. FM označují amplitudovou resp. frekvenční modulaci. Amplitudová modulace se používá na dlouhých, středních a krátkých vlnách; frekvenční modulace na velmi krátkých vlnách. Protože se však dnešní přijímače zpravidla již nevybavují tunerem pro DV a KV, užívá se těchto zkratek fakticky pro označení středních a velmi krátkých vln.

V pásmu na rozhraní rádiových vln a mikrovln jsou frekvence pro mobilní sítě GSM (900 a 1800 MHz). Fysikální seminaristé! Zopakujte si učivo o RLC obvodu a o elektromagnetické vlně, modulaci, televizi, rozhlasu, mobilních komunikacích. Prostudujte si prezentace svých kolegů ze semináře. Fysikální seminaristé! Zopakujte si učivo o záření absolutně černého tělesa a přečtěte si tyto další informace: Ve 30. letech 20. století zjistil inženýr Bellových laboratoří Karl Jansky pravidelné rušení na rádiových vlnách. Zdroj poruch zdánlivě obíhal kolem Země s periodou 23 h 56 min; Jansky zjistil, že zdroj leží kdesi ve středu Mléčné dráhy v souhvězdí Střelce. Astronomové jeho zjištění nevěnovali pozornost; teprve v 60. letech došlo k „rentgenovému mapování“ oblohy a bylo objeveno velké množství rádiových zdrojů. Problémem je, že vzhledem k velké vlnové délce záření je nutno pracovat s anténami velkých rozměrů. Takové má např. americká anténní soustava VLA v Novém Mexiku (19 km × 21 km × 21 km). V roce 1965 američtí radioastronomové A. Penzias a R. Wilson zjistili, že ze všech směrů ve vesmíru k nám rovnoměrně přichází slabé rádiové záření, jehož „teplota“ odpovídá asi 3 K. Ve skutečnosti jde o původně horké záření o teplotě 3000 K, ochlazené vinou rozpínání vesmíru. Ze studia tohoto záření lze odhadnout rozmístění objektů v dávném vesmíru. Autoři objevu byli oceněni Nobelovou cenou za fysiku (1978).

OBR. 4

OBR. 5

3

MIKROVLNY Mikrovlny jsou elektromagnetické vlny o vlnových délkách λ = 10–1 – 10–4 m, tedy 1 dm až 0,1 mm. Leží ve spektru mezi rádiovými vlnami a infračerveným zářením. Mikrovlnná trouba. Mikrovlny jsou absorbovány molekulami tekutin, jež mají dipólový moment, zvláště vody; toho se využívá k ohřívání v mikrovlnné troubě. Mikrovlnné záření je v pokrmu schopno rozkmitat částice. Přitom mikrovlny pronikají dovnitř pokrmu, a tím dochází k relativně velmi rychlému zahřátí celku. Mikrovlnné záření je generováno pomocí magnetronu a vyzařováno do ohřívacího prostoru trouby. Ten má kovový povrch, kterým záření nemůže proniknout. Dvířka jsou pokryta kovovou mřížkou, jejíž otvory jsou mnohem menší než vlnová délka mikrovlnného záření, představuje proto stejnou překážku pro vlny jako plný kov. Ohřívací prostor mívá rozměry odpovídající celým násobkům poloviny vlnové délky použitého záření, takže dochází ke vzniku stojatého vlnění. K nejúčinnějšímu ohřevu proto dochází v kmitnách vlnění. Aby byl ohřev pokrmů rovnoměrnější, umísťují se zpravidla na otočný podnos; otáčení zajišťuje, že kmitny postupně procházejí různými místy pokrmu. Zopakujte si pojmy kmitna, uzel, stojaté vlnění. Magnetron je generátor mikrovlnného záření (OBR. 5, 6). V mikrovlnné troubě je to energetický zdroj, pomocí něhož jsou generovány elektromagnetické vlny zahřívající potraviny. Od druhé světové války je magnetron používán u některých druhů radarů. Základ magnetronu tvoří velmi silný permanentní magnet ve tvaru prstence. Tímto magnetickým prstencem je obklopena vakuová trubice s resonančními komorami, uvnitř které je z jedné strany žhavicí katoda a z druhé vlnovod, který přenáší mikrovlnné záření do požadovaného směru. Na katodu je přiváděno žhavicí napětí řádově několik voltů (3 V), zatímco na anodu magnetronu napětí v řádu kilovoltů (3200 V). Žhavicí katoda emituje elektrony, které jsou přitahovány směrem k anodě, ale silné magnetické pole mění jejich trajektorii na kruhovou. Proud elektronů indukuje v resonačních komorách vysokofrekvenční kmity, které jsou odváděny vlnovodem. Oscilace magnetronu jako první pozoroval a popsal již ve 20. letech Augustin Žáček, profesor Univerzity Karlovy; první jednoduché dvoupólové magnetrony však byly vyrobeny Albertem Hullem ve firmě General Electric roku 1920. Vývoji pomohli Britové v druhé světové válce díky vynálezu radaru.

Mikrovlny se rovněž využívají pro bezdrátovou komunikaci zvanou Wi-Fi. Pokud je živá tkáň vystavena účinkům tohoto záření, dochází v ní k nadměrnému vývoji tepla v důsledku rozkmitání molekul vody a vzniklé teplo může tkáň poškodit. Jako první zaznamená mikrovlnné účinky oko, kdy vystavený jedinec přestává již po chvíli vidět v důsledku zahřívání sklivce. Dále dochází k poškození vnitřních orgánů bohatých na vodu, v poslední fázi dochází k popálení kůže a celkové destrukci tkání. Bezpečnou ochranou před mikrovlnným zářením je vrstva vody – vodní bariéra.

OBR. 6

OBR. 7

INFRAČERVENÉ ZÁŘENÍ Infračervené záření charakterizováno vlnovými délkami λ = 10–4 – 7,6.10–7 m, tedy 0,1 mm – 760 nm. Někdy je označováno IR (infrared) záření nebo tepelné záření. Pomocí infračerveného záření se šíří teplo, a to i vakuem (zahřívání povrchu Země slunečním zářením). Původem IR záření jsou změny

4

elektromagnetického pole vyvolané pohybem molekul. Pohyb molekul je způsoben vnitřní energií – závisí tedy na teplotě. Vlastnosti: 1. Není viditelné okem. Využívá se v dálkových ovladačích, protože neruší televizní či rozhlasový signál a zároveň záření nevnímáme. Infračervené záření z dálkových ovladačů vysílají LED diody. 2. Proniká mlhou a znečištěným ovzduším. Lze užít k „vidění v mlze“ (infralokátory). 3. Pomocí vhodných přístrojů lze (lidským okem neviditelné IR záření) zachytit: brýle pro noční vidění, funkce videokamer pro noční natáčení (jako osvětlení slouží IR záření, okem vnímáme jen tmu, ale kamera zachytí zřetelně osvětlené předměty; podobně infračervenými brýlemi lze pozorovat v naprosté tmě). Snímky objektů v oblasti IR záření slouží také k posuzování stavu tepelné izolace objektů. Takovému posouzení budovy gymnázia F. X. Šaldy se věnuje práce Arnošta Hlaváčka [Hla06], z níž je i převzata kolekce termogramů v OBR. 8. Autor v práci uvádí: „Termografické měření bylo uskutečněno infračervenou kamerou FLIR Therma CAM B4 v průběhu října. Měření musí probíhat nejlépe v době, kdy je největší rozdíl teplot uvnitř a vně budovy. Na termogramech jsou uvedeny charakteristické detaily úniku tepla zjištěné při termografickém měření. První dva termogramy ukazují obrovské úniky tepla kolem panelů štítu tělocvičny a nad okny tělocvičny a také v ploše ozdobné mozaiky u vchody do budovy. Další termogram ukazuje naprosto nedostatečnou tepelnou izolaci přístavby bývalé kotelny. Povšimnout si můžeme toho, že jsou vidět prakticky všechny tvárnice zdiva, mezi kterými maltou ve spárách zdiva prostě uniká teplo. Poslední termogram ukazuje na absenci tepelné izolace v detailu styku podlahy a podezdívky. Také jsou patrné desky polystyrenu zateplení parapetních panelů.“

4. Při pohlcování IR záření probíhá tepelná výměna – energie elektromagnetického vlnění se mění na vnitřní energii pohlcujícího tělesa: infrazářiče (slouží k vytápění).

OBR. 8

SVĚTLO Viditelné světlo je omezeno vlnovými délkami λ = 7,6.10–7 – 3,9.10–7 m, tj. 760 nm – 390 nm. Světlo vyvolává v lidském oku světelný vjem. Pomocí světla získáváme informace o světě kolem nás. U světla rozeznáváme jeho intenzitu – jiná je v poledne a jiná při stmívání – a barvu – závisí na vlnových délkách obsažených ve světle. 5

Světelné spektrum je část elektromagnetického spektra, ve kterém je zobrazena závislost barev světla na vlnových délkách: červená (650 nm) → oranžová (600 nm) → žlutá (580 nm) → zelená (525 nm) → modrá (450 nm) → fialová (400 nm). Uvedené vlnové délky jsou střední vlnové délky pro dané barvy (viz OBR. 7). Zopakujte si učivo o zdrojích světla (přirozené, umělé; chromatické, monochromatické).

ULTRAFIALOVÉ ZÁŘENÍ Ultrafialové záření (UV) je vymezeno vlnovými délkami λ = 3,9.10–7 – 10–8 m, tj. 390 nm – 10 nm. Je to tedy elektromagnetické záření o vlnové délce kratší, než má světlo fialové barvy. Jeho nejkratší vlnové délky zasahují do oblasti rentgenového záření. Zdrojem jsou tělesa zahřátá na velmi vysokou teplotu: hvězdy (Slunce), elektrický oblouk (sváření), a dále rtuťové výbojky (horské slunce). Zopakujte si konstrukci a funkci rtuťové výbojky. Vlastnosti: 1. Reaguje s fotografickou deskou. 2. Způsobuje v menších dávkách zhnědnutí kůže a produkci vitamínu D, ve vyšších dávkách rakovinu kůže (fotony UV záření mohou poškodit DNA, což může způsobit jak odumření buňky, tak i její nekontrolovanou reprodukci – rakovinu); způsobuje zánět spojivek (proto je nutné chránit oči před účinky ultrafialového záření brýlemi se skly, popř. plastem a filtrem). 3. Působí jako desinfekce – ničí mikroorganismy (sterilizace). 4. Při dopadu na určité látky se mění na viditelné světlo (ochranné prvky bankovek). Vyvolává luminiscenci. 5. Je pohlcováno obyčejným sklem; křemenné sklo UV záření nepohlcuje (baňky výbojek). Jako přirozená ochrana proti UV záření slouží ozónová vrstva. Vrstva atmosféry s velkou koncentrací ozonu O3 (ozónosféra) se nachází ve výšce 22 km až 25 km a zamezuje pronikání ultrafialového záření k zemskému povrchu. Tím umožňuje existenci života na Zemi. Některé plynné sloučeniny fluoru (tzv. freony), které unikají do ovzduší při určitých výrobních postupech nebo při používání sprejů, se s ozonem v atmosféře slučují. Tím se zmenšuje koncentrace ozonu v ozónosféře a snižuje se její schopnost pohlcovat ultrafialové záření. V atmosféře vznikají ozónové díry, jimiž v některých oblastech ultrafialové záření proniká ve větší míře až k povrchu Země. Podobný účinek na ozónosféru mají i oxidy dusíku obsažené v plynech, které se do ovzduší dostávají při činnosti spalovacích motorů dopravních prostředků.

RENTGENOVÉ ZÁŘENÍ Rentgenové záření (dříve paprsky X; označení X-rays se dosud užívá v USA) má ještě kratší vlnovou délku než ultrafialové záření a zaujímá poměrně širokou oblast spektra (λ = 10–8 – 10–12 m, tj. 10 nm – 1 pm). Rentgenové záření delších vlnových délek se označuje jako měkké záření a oblast rentgenového záření krátkých vlnových délek se označuje jako tvrdé záření. To představuje pro lidský organizmus značné nebezpečí. Rentgenové záření vzniká ve speciálních elektronkách – rentgenových trubicích (rentgenkách). Její základní části (OBR. 9) jsou katoda K (obvykle žhavena), která emituje elektrony, anoda a antikatoda (svírá s přímkou katoda-anoda úhel 45°, je zhotovená z wolframu). Mezi katodou a anodou je velký potenciálový rozdíl (10 kV až 400 kV), takže se emitované elektrony pohybují se značným zrychlením; dopadají však na antikatodu. Ta je tvořena masivním tuhým tělesem, aby se příliš nezahřívala; bývá chlazena nebo se otáčí. Vzniká rentgenové záření dvojího typu: Brzdné záření vzniká při zabrzdění svazku elektronů pevnou látkou, na kterou dopadají. Zabrzdění elektronu jako zrychlený pohyb (se záporným zrychlením) elektrického náboje vede podle teorie 6

elektromagnetického pole ke vzniku elektromagnetického záření. Toto záření má spojité spektrum („základní křivka“ v OBR. 10). Charakteristické záření vzniká tak, že dopadlý elektron, který má dostatečnou kinetickou energii, vyrazí z vnitřního obalu atomu látky, na kterou dopadne, elektron. Elektron z vnějšího obalu, který ho nahradí, vyšle při tomto přechodu elektromagnetické záření zcela určité vlnové délky. Proto je spektrum tohoto záření diskrétní; popsaným případům odpovídají („lokální“) maxima, označovaná počeštěným patvarem píky („výrůstky“ v OBR. 10).

OBR. 9

OBR. 10

OBR. 11

Vlastnosti: 1. Reaguje s fotografickou deskou. 2. Ionizuje vzduch; způsobuje ionizaci některých látek 3. Diagnostika. Při průchodu látkou se rentgenové záření pohlcuje a jeho energie se mění ve vnitřní energii látky. Pohlcování záření značně závisí na protonovém čísle Z chemického prvku v periodické soustavě. Prvky s vyšším číslem Z pohlcují rentgenové záření více. Tento poznatek se široce využívá v lékařství. Rentgenové záření se pohlcuje 150krát více v kostech složených hlavně z fosforečnanu vápenatého než ve svalech, jejichž převažující složkou je voda. Proto se na rentgenovém snímku jeví kosti světlejší než tkáně. Tento princip se ve zdokonalené podobě využívá v počítačové tomografii (CT – Computed Tomografy; A. Cormack, G. Hounsheld, 1979 Nobelova cena za lékařství a fysiologii). Princip počítačového tomografu spočívá ve vytváření souborů rentgenových snímků části těla po jednotlivých vrstvách kolmých k ose pacientova těla a širokých několik milimetrů (název zařízení je odvozen z řec. τοµη – řez). Pacient leží na lůžku, kolem kterého se postupně otáčí v rozsahu 180° rám nesoucí jednak zdroj rentgenového záření, jednak soustavu detektorů, které jsou rozmístěny na opačné straně rámu. Při otáčení rámu prochází rentgenové záření tělem v různých směrech a po jeho průchodu jsou měnící se hodnoty intenzity zeslabeného záření zachyceny detektory. Získané hodnoty jsou zpracovány počítačem do výsledného obrazu.

Rentgenové záření je pro lidský organizmus velmi nebezpečné. Proto musejí být při práci s rentgenovými diagnostickými přístroji dodržována velmi přísná bezpečnostní opatření (stínění materiály, kterými rentgenové záření nepronikne, např. olověnými plechy) a doba ozařování musí být co nejkratší. Toho se dosahuje hlavně tím, že se na minimum zkracuje doba ozáření při získávání rentgenového snímku nebo jeho počítačového záznamu. 4. Tvrdé RTG záření se využívá k léčbě zhoubných nádorů (ničí buňky). 5. Defektoskopie, zkoumání struktury. RTG záření je pohlcováno v závislosti na tloušťce látky – tak je možno zjistit výskyt trhlin nebo vzduchových bublin v kovových odlitcích. Rentgenové záření se uplatňuje i při práci restaurátorů uměleckých děl. Tam je použití rentgenu založeno na tom, že malíři jako barvy používali různé sloučeniny olova, které také různým způsobem rentgenové záření pohlcují. Pomocí rentgenových snímků tak lze nejen zjistit přemalování některých detailů obrazu, ale třeba i kopii nebo padělek výtvarného díla.

7

6. Rentgenová astronomie se zabývá studiem zdrojů rentgenového záření ve vesmíru, jejichž existence souvisí s různými stadii vývoje hvězd. Rentgenové záření vysílají např. zbytky po výbuchu supernov (neutronové hvězdy). 7. Rentgenová strukturní analýza. Tato metoda zkoumání krystalů již byla popsána v kapitole Vlnové vlastnosti světla. Fysik Johann Wilhelm Hittorf (1824–1914) pozoroval vakuovou trubici vyzařující záření na záporné elektrodě. Toto záření způsobovalo při dopadu na stěnu trubice světélkování. Roku 1876 je Eugene Goldstein pojmenoval „katodové záření“. Později anglický fysik William Crookes studoval výboje v řídkých plynech a zkonstruoval Crookesovu trubici, skleněnou trubici s elektrodami naplněnou zředěným plynem, v němž při přiložení vysokého stejnosměrného napětí dojde k výboji doprovázenému zářením. Když umístil neexponované fotografické desky nedaleko od trubice, na desce se objevily šmouhy, přestože tento efekt nechtěl zkoumat. Roku 1892 Heinrich Hertz demonstroval, že katodové záření může procházet velmi slabou kovovou překážkou (jako je hliníková destička). Philip Lenard, žák Heinricha Hertze, dále prozkoumával tento efekt. Vyvinul vlastní verzi katodové trubice a zkoumal průchod katodového záření rozličnými materiály. V dubnu 1887 Nikola Tesla začal zkoumat rentgenové záření pomocí vysokého napětí, vakuových trubic vlastní konstrukce a Crookesových trubic. Z jeho technické dokumentace plyne, že vymyslel a vyrobil trubici s jedinou elektrodou, ostatní trubice na zkoumání rentgenového záření měly dvě elektrody. Jeho další experimenty ho vedly k varování vědecké komunity před biologickými riziky rentgenového záření. 8. listopadu 1895 Wilhelm Conrad Röntgen, německý vědec, začal provádět a zaznamenávat experimenty s rentgenovým zářením ve vakuové trubici. Röntgen 28. prosince 1895 napsal zprávu „O novém druhu paprsků“. Toto je první formální a veřejně známá kategorizace rentgenového záření. Röntgen o záření psal jako o paprscích X, neboť šlo o doposud neznámé záření, avšak mnoho kolegů se domnívalo, že by se mělo jmenovat po Röntgenovi. Röntgen za své objevy obdržel vůbec první Nobelovu cenu za fysiku. V OBR. 11 je snímek rukou Berthy Röntgenové, jeden z prvních rentgenových snímků Roku 1895 Thomas Alva Edison zkoumal schopnost materiálů fluoreskovat, když jsou vystaveny rentgenovému záření. Výzkum záření ukončil roku 1903, potom, co zemřel jeden z jeho foukačů skla, který zkoušel trubice na své ruce, čímž si přivodil rakovinu. Obě ruce mu byly amputovány v marné snaze ho zachránit. Roku 1906 fysik Charles Glover Barkla objevil rozptyl rentgenového záření v plynech a využil ho při zkoumání vlastností látek. Určil tak například počet elektronů v atomu uhlíku. Rovněž dokázal polarizovat rentgenové záření, čímž potvrdil, že má stejné vlastnosti jako viditelné světlo. Za své objevy získal roku 1917 Nobelovu cenu za fysiku. Byla mu amputována ruka v důsledku nádoru z ozáření. Objev rentgenového záření vzbudil zájem dalších badatelů. Německý fysik Max von Laue (1879–1960) prokázal v roce 1912 interferenci rentgenového záření při jeho průchodu krystalem. Rentgenové záření bylo dvěma štěrbinami soustředěno do úzkého svazku, který procházel krystalem. Na fotografické desce umístěné za krystalem se po vyvolání objevil interferenční obrazec rentgenového záření, tzv. laueogram. V padesátých letech 20. století byl sestrojen rentgenový mikroskop.

ZÁŘENÍ GAMA Záření gama (γ) zčásti zasahuje vlnovou délkou do oblasti rentgenového záření (λ < 10–12, tj. λ < 1 pm) a na krátkovlnném konci elektromagnetické spektrum uzavírá. Na rozdíl od rentgenového záření, které vzniká při energetických přeměnách v elektronovém obalu atomu, jsou zdrojem záření gama radioaktivní přeměny v jádrech atomů. Vlastnosti tohoto záření se studují v chemii či v jaderné fysice. Zopakujte si vlastnosti jaderného záření. Zdrojem jaderného vlnění jsou změny elektromagnetického pole při jaderných reakcích. Radioaktivní záření γ neexistuje samovolně, ale doprovází záření α nebo β (jsou vyzařovány radionuklidy). Záření γ je nejpronikavější jaderné záření; lze je zeslabit silnou vrstvou železobetonu nebo materiálem obsahujícím jádra těžkých prvků (Pb). V magnetickém a elektrickém poli se neodchyluje – to je důkazem, že se jedná o druh elektromagnetického vlnění. Vlastnosti: 1. Má silné ionizační účinky a v důsledku fotoefektu uvolňuje z látek nabité částice. 2. Podobně jako rentgenové záření je pohlcováno podle struktury – používá se v defektoskopii (zjišťování vad v součástkách; záření je pronikavější než rentgenové záření, takže stačí menší dávky; pro získání tohoto záření stačí radioaktivní látka, proto je γ záření pro defektoskopii výhodnější než rentgenové záření).

8

3. Způsobuje genetické změny, nemoci z ozáření (po genetických změnách buněk může dojít k rakovinnému bujení). Přestože může samo způsobovat rakovinu, používá se při jejím léčení. Přístroj gama nůž využívá několika paprsků záření zaměřených na místo nádoru, aby zničil zhoubným bujením zasažené buňky. 4. Vysokoenergetická povaha záření gama z něj činí účinný prostředek hubení bakterií, čehož se využívá například při sterilizaci lékařských nástrojů nebo při ošetřování potravin, zejména masa a zeleniny, aby déle zůstalo čerstvé. Záření γ objevil francouzský chemik a fysik Paul Ulrich Villard roku 1900 při studiu uranu. Pomocí aparatury, kterou si sám sestavil, pozoroval, že není ohýbáno magnetickým polem. Zpočátku se myslelo, že záření γ je částicové povahy stejně jako α a β. Britský fysik William Henry Bragg roku 1910 ukázal jeho vlnový charakter tím, že ionizuje plyn obdobně rentgenovému záření. V r. 1914 Ernest Rutherford a Edward Andrade dokázali změřením jeho vlnové délky pomocí rentgenové krystalografie, že záření gama je druh elektromagnetického záření. Pojmenování „záření gama“ zavedl Ernest Rutherford jako obdobu alfa a beta záření ještě v době, kdy nebyl znám rozdíl ve fysikální podstatě těchto druhů záření.

SPEKTRA LÁTEK Spektrum světla vyzařovaného látkou (obr. 12) nazýváme emisní spektrum. Zářící páry prvků vytvářejí charakteristické emisní spektrum, v němž vidíme jen určité spektrální čáry o diskrétních vlnových délkách. Např. v parách sodíku pozorujeme dvojici (tzv. dublet) spektrálních čar žluté barvy o vlnových délkách 589,0 nm a 589,6 nm (při menší rozlišovací schopnosti spektroskopu však splývá dublet v jedinou čáru). Takové spektrum označujeme jako čárové spektrum. Rozžhavené pevné látky (např. vlákno žárovky) vyzařují světlo všech vlnových délek. Při rozkladu tohoto světla vzniká spojité spektrum. Látka však může záření také pohlcovat. Když jí prochází složené světlo se spojitým spektrem, světlo některých vlnových délek je látkou pohlceno a vzniká absorpční spektrum. Jestliže světlo prochází např. sodíkovými parami, pohltí se ze spojitého spektra ty vlnové délky, které by sodík sám vyzařoval, a vznikne absorpční spektrum.

OBR. 12 Charakter absorpčního spektra má i sluneční spektrum, které obsahuje řadu temných čar. Jejich původ vysvětlujeme tím, že záření z vnitřní vrstvy Slunce (fotosféry) prochází okrajovou vrstvou (chromosférou), která má nižší teplotu. Spektrum záření fotosféry je spojité a při průchodu chladnější chromosférou nastává absorpce záření určitých vlnových délek. V odpovídajících místech spektra se pak objevují temné čáry, které poprvé popsal německý fysik Joseph von Fraunhofer (1814). Na vzniku absorpčních čar se podílí také atmosféra Země.

9

Zvláštním druhem spektra je pásové spektrum, které je tvořeno velkým množstvím čar ležících v těsné blízkosti. Tyto skupiny čar tvoří charakteristické pásy, oddělené temnými úseky. Zdrojem pásového spektra jsou zářící molekuly látek. Záření, které látky za určitých okolností vyzařují, je důležitým zdrojem informací o složení látky. Z tohoto hlediska se studiem záření zabývá rozsáhlý obor – spektrální analýza. Základním přístrojem spektrální analýzy je spektroskop, který je založen na rozkladu světla buď optickým hranolem (hranolový spektroskop), nebo difrakční mřížkou (mřížkový spektroskop). Oba principy rozkladu světla jsme studovali již dříve. Spektrální analýza studuje chemické složení látek na základě poznatku, že poloha čar ve spektru přesně určuje obsah chemických prvků ve zkoumané látce. Podobně se pomocí charakteristických pásů pásového spektra určuje i přítomnost molekul v látce. Kromě toho lze na základě intenzity spektrálních čar stanovit množství prvku (např. ve slitině kovu). Na tom je založena kvantitativní spektrální analýza. Metody spektrální analýzy umožňují zjišťovat velmi malé hmotnosti daného prvku v látce. Moderní přístroje používají mřížky na odraz s velkým počtem vrypů na mm délky mřížky a spektrum je pomocí snímače CCD převedeno na elektrický signál, který je zpracován a vyhodnocen počítačem. Metoda se uplatňuje při analýze složení látek v chemii, metalurgii, lékařství, potravinářství, kriminalistice. Spektrální analýzou spektra hvězd lze určit prvky, které se nacházejí ve svrchních částech těchto hvězd. Díky Dopplerově jevu jsou jejich čáry posunuty oproti čarám získaným v laboratoři; z posunu spektrálních čar tak lze spočítat rychlost vzdalování či přibližování objektu (a určit rychlost rozpínání vesmíru). Fysikální seminaristé! Zopakujte si Dopplerův jev včetně příslušných vztahů.

OBR. 13

OBR. 14

10

RADIOMETRIE A FOTOMETRIE Elektromagnetické záření můžeme posuzovat dvěma způsoby: jednak z hlediska přenášení energie, jednak z hlediska zrakových vjemů. Prvním typem úvah se zabývá radiometrie, druhým fotometrie. Protože jedině (viditelné) světlo vyvolává vjem v lidském zraku, je fotometrie „radiometrií omezenou na viditelné světlo“. Ve fotometrii je definována řada fysikálních veličin, kterými jsou popisovány vlastnosti zdrojů světla, přenos světla volným prostorem a děje spojené s dopadem světla na osvětlené předměty. Nyní si všimněme tří nejdůležitějších veličin, jejichž konkrétní fysikální význam naznačuje jednoduchý příklad osvětlení místnosti žárovkou (obr. 13). Jsou to následující fotometrické veličiny: svítivost I vyjadřuje vlastnost zdroje světla, světelný tok Φ se vztahuje k přenosu světla prostorem, osvětlení E určuje účinky světla při jeho dopadu na povrch tělesa. Těmto fotometrickým veličinám odpovídají veličiny radiometrické:1 ) zářivost Ie , zářivý tok Φe , intenzita ozáření (stručně: ozářenost) Ee . Význam veličin je analogický (i označení je podobné, liší se jen indexem); veličiny se však týkají přenosu energie v rozsahu celého spektra, nejen ve viditelném světle. Než začneme s jednotlivými veličinami, zastavme se ještě u měření prostorových úhlů. Jednotkou prostorového úhlu je steradián. Steradián je prostorový úhel kužele, který vytíná na povrchu koule se středem ve vrcholu kužele plochu, jejíž obsah je roven plošnému obsahu čtverce s délkou stran rovnající se poloměru koule. (Tedy: Je-li poloměr oné koule r, je uvažovaný obsah r2 . „Plný“ prostorový úhel je potom 4π sr.) Prostorové úhly se obvykle značí řeckými písmeny z konce abecedy, např. Ω.

Radiometrické veličiny Zářivá energie Qe je energie vyslaná, přenesená nebo přijatá formou elektromagnetického záření. Jednotkou je (samozřejmě) joule.2 ) Zářivý tok (též: zářivý výkon) Φe je výkon vyslaný, přenesený nebo přijatý formou elektromagnetického záření. Jednotkou je watt. Souvislost se zářivou energií je zřejmá: Φe =

d Qe . dt

(1)

Přenáší-li se energie v čase rovnoměrně, je zářivý tok roven podílu zářivé energie Qe a doby t, po kterou se energie přenáší.3 ) 1)

Název radiometrické veličiny může být zavádějící: jedná se totiž o veličiny popisující celé elektromagnetické spektrum, nejen radiové vlny. 2 ) V tomto textu značíme energii poněkud netradičně Q, aby se označení nepletlo s označením ozářenosti E či e osvětlení E. 3 ) Ve vztahu (1) a podobně v mnoha dalších vztazích se objevuje symbol d/d t značící derivaci „podle času“. Tento symbol potřebuje závažný komentář. Matematičtí seminaristé, kteří se již seznámili se základy diferenciálního počtu, uvedený symbol (snad) v matematice nepoužívali. Vznikl historickým vývojem, kdy se počítalo s „nekonečně malými veličinami“. Toto období bylo již dávno překonáno: v diferenciálním počtu se symbol neužívá vůbec, v integrálním počtu jen jako neoddělitelná součást označení Newtonova (nebo nějakého jiného) integrálu. Ve fysikální literatuře je však symbol velmi

11

Zářivost Ie je podíl té části zářivého toku, jež vychází ze zdroje nebo jeho elementu v daném směru do elementárního prostorového úhlu, a velikosti tohoto elementu prostorového úhlu: Ie =

d Φe . dΩ

(2)

Jednotkou zářivosti (dle uvedeného vztahu) je watt na steradián. Intenzita ozáření (stručně: ozářenost) Ee je určena podílem zářivého toku Φe a obsahu plošky S, na kterou tok dopadá: d Φe Ee = . (3) dS Jednotkou je W·m−2 . Dávka ozáření (expozice) He je časový souhrn ozařování vztažený na jednotku plochy. Musíme tedy „sečíst“ intenzity ozáření ve všech jednotlivých okamžicích, tedy integrujeme: Z tmax He = Ee (t) dt; (4) 0

tmax je celková doba ozáření. V případě, že intenzita ozáření je konstantní, dostaneme řešením integrálu výraz Ee · t pro t v mezích od 0 do tmax , tedy součin Ee · tmax .4 ) Existují ještě další radiometrické veličiny – např. intenzita vyzařování, hustota zářivé energie, spektrální hustota zářivé energie, emisivita, zář – ale čtenáře, který baží po jejich definicích, odkážeme raději na literaturu.

Fotometrické veličiny Fotometrické veličiny popisují tu část spektra elektromagnetického vlnění, která vyvolává vjem v lidském zraku.5 ) Již jsme uvedli, že výkon přenášený elektromagnetickým vlněním je popsán zářivým výkonem Φe . Z tohoto výkonu však jen jistá část odpovídající viditelnému světlu vyvolá vjem v oku; navíc tato část je pro každou vlnovou délku světla jiná. Znamená to tedy, že zářivý tok musíme vynásobit jistým koeficientem, který vyjadřuje, jak vlnění působí na zrak; tento koeficient se nazývá světelná účinnost zdroje a značí se K. Je tedy Φ = KΦe ,

(5)

častý, proto na něj zde musíme upozornit. Protože energie Qe ve vztahu je závisí na čase, je „ jeho funkcí“. Proto matematicky korektně píšeme Qe (t). Pak lze napsat derivaci tak, jak je v matematice obvyklé – totiž pomocí čárky. Víme totiž, „podle čeho máme derivovat“ – podle času. Vztah (1) tak má v solidním zápisu podobu: Φe (t) = Q0e (t). Ve středoškolské fysice se při řešení příkladů bez derivací zpravidla obejdeme; vzhledem k „rovnoměrným změnám“ uvažovaných veličin vystačíme s prostým dělením. Pokud některého „nematematického čtenáře“ zápisy s derivacemi iritují, může si všude místo d/d t představit ∆/∆t. 4 ) Čtenář, který se fysikou v dalším studiu nehodlá zabývat, nechť předcházející „integrační pasáž“ laskavě přeskočí. 5 ) Varujeme se formulace působí na lidský zrak. Např. rentgenové záření, záření γ či mikrovlnné záření na lidský zrak sice působí (a to destruktivně!), ale žádný zrakový vjem nevyvolává.

12

kde Φ je nová veličina popisující tu část zářivého výkonu, která způsobuje zrakový vjem; nazývá se světelný tok Φ. Jednotkou je lumen (z lat. lumen – světlo, záře, lesk). K je ovšem funkcí vlnové délky. K se určuje experimentálně na vzorku pokusných lidí. Oko je nejcitlivější na žlutozelené světlo s vlnovou délkou λ = 555 nm; pro tuto vlnovou délku má graf závislosti K na λ maximum. Platí Kmax = 683 lm/W. Jinak řečeno: Přenášíme-li při vlnové délce 555 nm (tedy při frekvenci 540 · 1012 Hz) světelný výkon 1 W, odpovídá tomu světelný tok 683 lm. Navíc je zřejmé, že např. pro rádiové či rentgenové záření je K = 0, protože toto záření žádný zrakový vjem nevyvolává. Graf světelné účinnosti K v závislosti na vlnové délce λ je v obr. 14; křivka 1 platí pro vidění za dne, křivka 2 pro vidění za soumraku. Svítivost je fotometrická veličina charakterizující vysílání světla z bodového světelného zdroje. Je dána (analogicky jako zářivost) vztahem I=

d Φe . dΩ

(6)

Jednotkou svítivosti je kandela (cd). Kandela (z lat. candela – svíčka) je základní jednotkou SI; je definována takto: „Kandela je svítivost zdroje, který v daném směru vysílá monofrekvenční záření o kmitočtu 540 · 1012 Hz a jehož zářivost v tomto směru je 1/683 wattů na steradián.“ Svítivost 1 cd zhruba odpovídá svítivosti plamene parafínové svíčky. Protože kandela je základní jednotka soustavy SI, je třeba ostatní jednotky vyjádřit pomocí kandely: je tedy lm=cd·sr. Můžeme dále říci, že 1 lumen je světelný tok vyzařovaný bodovým všesměrovým zdrojem o svítivosti 1 kandely do kužele, který vymezuje na kulové ploše s poloměrem 1 metr, jejíž střed je ve světelném zdroji, kulový vrchlík o obsahu 1 m2 . Poznamenejme, že celkový světelný tok bodového zdroje je 4πI. Osvětlení (také: osvětlenost) E je určeno podílem světelného toku Φ a obsahu plošky S, na kterou tok dopadá: dΦ E= . (7) dS Jednotkou je lux (lx); název z lat. lux – světlo, záře, oheň. Je zřejmě lx = ,lm·m−2 =cd·sr·m−2 ; slovy řečeno: Plocha o obsahu 1 m2 má osvětlení jednoho luxu, dopadá-li na ni rovnoběžně světelný tok 1 lumen. Např. z experimentu plyne, že osvětlení E uvažované plochy závisí na svítivosti zdroje I, vzdálenosti r této plochy od světelného zdroje a na úhlu dopadu světla α na tuto plochu: E=

I cos α. r2

(8)

Nejlépe je tedy osvětlena plocha, na kterou světelné paprsky dopadají kolmo (α = 0◦ ). Když se úhel dopadu světla zvětšuje, osvětlení se naopak zmenšuje, a když jsou paprsky s osvětlovanou plochou rovnoběžné (α = 90◦ ), je osvětlení plochy nulové. Několik příkladů osvětlení přirozenými zdroji: Slunce v letní poledne za bezmračného počasí 100 000 lx; Slunce v zimním období 10 000 lx; oblačná obloha v létě 5 000–20 000 lx; oblačná 13

obloha v zimě 1 000-2 000; Měsíc v úplňku na noční obloze 0,2 lx, bezoblačná noc bez Měsíce 0,000 3 lx. Dostatečné osvětlení patří k základním požadavkům na hygienu práce. Například ke čtení je nutné osvětlení asi 500 lx, rýsování nebo montáž drobných objektů vyžaduje až 1 500 lx, ale k osvětlení schodiště postačuje 15 lx. Citlivost oka je značná; oko je schopno rozlišit předměty již při osvětlení 3 · 10−5 lx. K měření osvětlení se v praxi používají přístroje založené na přímé přeměně energie záření v elektrickou energii (fotoelektrický jev – viz seminář). Samostatný přístroj pro měření osvětlení je luxmetr. Obsahuje čidlo s polovodičovým fotoelektrickým prvkem, na němž vzniká elektrické napětí úměrné osvětlení. Jeho velikost čteme na stupnici přístroje přímo v luxech. Často však je čidlo pro měření osvětlení (popř. světelného toku) zabudováno přímo do optického přístroje. Je např. součástí fotografických přístrojů a videokamer vybavených automatikou, která podle úrovně osvětlení automaticky upravuje velikost vstupního otvoru objektivu čili clonu. Osvit (nebo: expozice) H je časový souhrn osvětlení vztažený na jednotku plochy. Musíme tedy „sečíst“ osvětlení ve všech jednotlivých okamžicích, tedy integrujeme: Z tmax H= E(t) dt; (9) 0

tmax je celková doba osvětlení. Jednotkou je luxsekunda (lx·s). O výpočtu integrálu platí táž poznámka jako u vztahu (4).

MALÝ SLOVNÍČEK POJMŮ Uvádění anglických ekvivalentů českých pojmů probíraných v textu není v dnešní době snobismem, nýbrž nutností. Z důvodů „lepší čitelnosti“ textu nejsou anglické pojmy uváděny na příslušných místech textu, ale souhrnně zde v závěru. Pojmy jsou řazeny zhruba v tom pořadí, v jakém se v textu postupně objevují. Všechny anglické termíny jsou převzaty z publikace [VSF]. dlouhé vlny střední vlny krátké vlny velmi krátké vlny mikrovlny infračervené záření světlo ultrafialové záření rentgenové záření

long waves middle waves short waves ultrashort waves microwaves infrared radiation light ultraviolet radiation X-rays

záření gama

gamma radiation

radiometrie

radiometry 14

zářivá energie zářivý tok

radiant energy radiant power, radiant energy flux

ozářenost zářivost

irradiance radiant intensity

dávka ozáření

radiance exposure

fotometrie světelný zdroj

photometry light source

světelný tok svítivost

luminous flux luminous intensity

osvětlení osvit

illuminance light exposure

LITERATURA [OP]

Lepil, O.: Fyzika pro gymnázia: Optika. 3. vyd. Praha: Prometheus, 2002.

[Štr79]

Štrba, A.: Všeobecná fyzika 3 – Optika. 1. vyd. Bratislava: Alfa, 1979.

[Wag95] Wagner, J. – Kopal, A.: Fyzika II. Liberec: PF TU, 1995. [Gry89] Grygar, J. – Železný, V.: Okna vesmíru dokořán. 1. vyd. Praha: Naše vojsko, 1989. [Hor61]

Horák, Z. – Krupka, F. – Šindelář, V.: Technická fysika. 3. vyd. Praha: SNTL, 1961.

[Lau59] Laue, M. von: Dějiny fyziky. 1. vyd. Praha: Orbis, 1959. [Hla06]

Hlaváček, A.: Historie a současnost budovy naší školy pohledem fyziky [maturitní práce]. Liberec: Gymnázium F. X. Šaldy, 2006.

[Wik]

Otevřená encyklopedie Wikipedia [cit. 2006-11-20]. URL:

[VSF]

Výkladový slovník fyziky pro základní vysokoškolský kurz. 1. vyd. Praha: Prometheus, 2001.

15

mechanické MECHANICKÉ KMITÁNÍ kmitání aA VLNĚNÍ vlnění Mgr. Magda Vlachová

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění

OBSAH Mechanické kmitání Kmitavý pohyb.....................................................................................................................................3 Kinematika kmitavého pohybu.........................................................................................................5 Fáze harmonického pohybu..............................................................................................................6 Dynamika kmitavého pohybu...........................................................................................................6 Kyvadlo............................................................................................................................................7 Složené kmitání................................................................................................................................8 Tlumené kmitání.............................................................................................................................11 Nucené kmitání, rezonance.............................................................................................................11 Mechanické vlnění Vznik a druhy vlnění......................................................................................................................14 Rovnice postupné vlny...................................................................................................................15 Interference vlnění..........................................................................................................................16 Odraz vlnění. Stojaté vlnění...........................................................................................................18 Chvění mechanických soustav.......................................................................................................20 Šíření vlnění....................................................................................................................................21 Odraz a ohyb vlnění........................................................................................................................22 Zemětřesení....................................................................................................................................24 Akustika Co je to akustika.............................................................................................................................25 Vznik a druhy zvuku ....................................................................................................................26 Šíření zvuku....................................................................................................................................27 Absorpce zvuku..........................................................................................................................27 Odraz zvuku................................................................................................................................28 Ohyb zvuku................................................................................................................................29 Vlastnosti zvuku.............................................................................................................................30 Výška..........................................................................................................................................30 Barva...........................................................................................................................................30 Intenzita zvuku...........................................................................................................................31 Hlasitost......................................................................................................................................31 Infrazvuk, ultrazvuk.......................................................................................................................32 Infrazvuk.....................................................................................................................................32 Ultrazvuk....................................................................................................................................33 Základy fyziologické akustiky.......................................................................................................34 Základy hudební akustiky...............................................................................................................35 Škodlivé účinky zvuku...................................................................................................................36 Dopplerův jev.................................................................................................................................36 Rázová vlna................................................................................................................................38 Literatura........................................................................................................................................39

2

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění

1

Mechanické kmitání Třetím základním typem pohybu je kmitavý pohyb nebo také mechanické kmitání. Pro mechanické kmitání je charakteristické, že těleso se při pohybu neustále vrací do tzv. rovnovážné polohy. Jestliže těleso tento pohyb koná pravidelně, označujeme ho jako pohyb periodický (z řeckého peri = okolo a hodos = cesta). Periodické pohyby konají např. části chvějící se struny na kytaře, písty spalovacího motoru, kyvadlo nástěnných hodin, srdce při pravidelné srdeční činnosti, blikající maják, závaží na pružině apod.

KMITAVÝ POHYB Zařízení, které volně kmitá bez vnější působení se nazývá mechanický oscilátor. Jeho kmitání způsobuje buď síla pružnosti nebo tíhová síla. Příkladem mechanického oscilátoru je kulička zavěšená na niti, která představuje kyvadlo. Volně zavěšené kyvadlo je v rovnovážné poloze. Při vychýlení z rovnovážné polohy působí na kuličku výsledná síla, která vznikne složením tíhové síly a tahové síly závěsu. Výsledná síla vždy směřuje do rovnovážné polohy.

3

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění Kyvadlo se po vychýlení vrací do rovnovážné polohy, kde má největší rychlost a pokračuje dál v pohybu, až dosáhne největší výchylky. Tam se zastaví a vrací se zpět. Odtud je zřejmé, že kmitavý pohyb patří mezi pohyby nerovnoměrné. Jestliže kyvadlo prošlo všemi naznačenými polohami, říkáme, že vykonalo jeden kmit.

Závislost okamžité polohy kmitajícího tělesa na čase zobrazuje časový diagram, kde na ose x je čas a veličina na ose y je úměrná okamžité poloze tělesa. Průběh kmitů můžeme sledovat osciloskopem.

Periodický pohyb je charakterizován pravidelným opakováním pohybového stav tělesa. Nejkratší doba, za kterou dojde k opakování téhož pohybového stavu, je perioda (T). Počet opakování téhož pohybového stavu za časovou jednotku je frekvence nebo-li kmitočet f. 1 f = T Jednotkou periody je sekunda. Jednotkou frekvence je hertz (Hz). Jeden hertz je frekvence periodického pohybu, jehož perioda trvá jednu sekundu. V praxi se častěji používají násobky kilohertz kHz, megahertz MHz, gigahertz GHz. Jako periodický děj můžeme obecně nazvat jakýkoli děj, u něhož se pravidelně opakuje změna libovolné fyzikální veličiny (např. teplota, tlak, elektrické napětí, proud). Elektrické kmity Nejen závaží na pružině koná kmitavý pohyb, ale i elektrické napětí v síti. V elektrické síti se hodnota napětí periodicky mění po každé padesátině sekundy. Má tedy frekvenci 50 Hz. Tuto frekvenci má napětí v rozvodné síti v celé Evropě. V Americe ale mají frekvenci 60 Hz. Otáčejí se generátory v amerických elektrárnách rychleji, nebo pomaleji než v Evropě? Napětí kmitá proto, že v síti je střídavý proud.

4

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění

KINEMATIKA KMITAVÉHO POHYBU Během jednoho kmitu se kulička nepohybuje rovnoměrně. Při přemísťování z krajní polohy do polohy rovnovážné koná pohyb zrychlený, při přemísťování z rovnovážné polohy do polohy krajní pohyb zpomalený. Rovnovážnou polohou prochází kulička největší rychlostí. V krajních polohách se na okamžik zastaví.

V každém okamžiku můžeme měřit vzdálenost kuličky od rovnovážné polohy, tzv. okamžitou výchylkou y. Největší okamžitá výchylka je amplituda výchylky ym nebo zkráceně jen amplituda. Z časového diagramu je patrné, že se okamžitá výchylka mění s časem podle funkce sinus. Kmitavý pohyb, jehož časovým diagramem je sinusoida (popř. kosinusoida) se nazývá harmonický kmitavý pohyb nebo harmonické kmitání. Je to jeden z nejjednodušších kmitavých pohybů. V přírodě i technické praxi mají kmitavé pohyby složitější průběh, nazývají se pak neharmonické. Vztah pro okamžitou výchylku harmonického pohybu můžeme odvodit srovnáním s pohybem po kružnici. Kmitavý pohyb odpovídá průmětu pohybu rovnoměrného po kružnici do svislé roviny.

Promítneme-li celý kmitavý pohyb do kružnice, můžeme pomocí jednoduchých geometrických úvah z obrázku odvodit rovnici pro okamžitou výchylku při harmonickém pohybu. y = y m sin ω t Úhel ωt nazýváme fáze harmonického pohybu a veličinu ω úhlová frekvence, pro kterou platí 2π ω = 2π f = T Dále můžeme určit rychlost kmitavého pohybu: v = v m cos ω t Je vidět, že rychlost je také periodickou funkcí času, ale mění se podle funkce kosinus, tj. při nejmenší výchylce je rychlost největší, naopak při největší výchylce je rychlost nejmenší (tedy nulová). Další kinematickou veličinou, kterou můžeme určit, je zrychlení:

5

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění a = − ω 2 y m sin ω t = − ω 2 y Zrychlení je tedy přímo úměrné okamžité výchylce a v každém okamžiku má opačný směr.

FÁZE HARMONICKÉHO POHYBU Vztahy pro okamžitou výchylku, rychlost a zrychlení platí jen tehdy, jestliže měříme od okamžiku, kdy kmitající bod prochází právě rovnovážnou polohou. Často měříme harmonický pohyb od okamžiku, kdy kmitající bod neprochází rovnovážnou polohou. Okamžitou výchylku pak vyjádříme vztahem y = y m sin ( ω t + ϕ 0 ) kde fázi harmonického pohybu představuje výraz ( ω t + ϕ 0 ) , přičemž veličinu ϕ0 nazýváme počáteční fáze harmonického pohybu. Tento vztah je pak obecnou rovnicí harmonického kmitání.

Počáteční fáze má význam zejména při sledování dvou harmonických pohybů. Např. v autoopravnách se při testování činnosti spalovacího motoru vyšetřuje vzájemný pohyb dvou pístů, přičemž se určuje tzv. fázový rozdíl, což je rozdíl počátečních fází jejich pohybů. Jsou-li okamžité výchylky dvou harmonických kmitání y1 = y m1 sin ( ω t + ϕ 1 ) a y 2 = y m 2 sin ( ω t + ϕ 2 ) , pak fázový rozdíl jejich kmitání ∆ ϕ = ϕ 2 − ϕ 1 . Důležitý případ je, když: - je fázový rozdíl roven nule nebo sudému násobku – oba harmonické pohyby mají stejnou fázi, - je fázový rozdíl roven lichému násobku – oba harmonické pohyby mají opačnou fázi.

DYNAMIKA KMITAVÉHO POHYBU 6

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění Zabývejme se následující situací: závaží o hmotnosti m je zavěšeno na pružině a na začátku experimentu se nachází v klidu. Nyní závaží lehce vychýlíme směrem dolů. Naším cílem je matematicky popsat pohyb, který bude závaží vykonávat. Jestliže se závaží nachází v klidu, výslednice všech sil na něj působících je nulová. Působící síly jsou tíhová síla FG (směr svisle dolů) a síla Fp, kterou působí na závaží pružina (směr svisle vzhůru). Pokud je hmotnost závaží taková, že deformace pružiny je vratná (tento předpoklad lze snadno ověřit změření délek nezatížené pružiny před zavěšením závaží a po jeho sejmutí), lze na základě platnosti Hookova zákona tvrdit, že F p = − ky , kde k je konstanta nazývaná tuhost pružiny. Závisí na tloušťce pružinového drátu, na materiálu, z něhož je vyroben a na průměru pružiny. Podle druhého Newtonova zákona však platí F = ma , kde a je zrychlení. Zrychlení kmitavého pohybu vyjádříme ve tvaru a = − ω 2 y . Po dosazení a porovnání

ω =

k m

Po dosazení za úhlovou frekvenci ω = 2π f =

2π dostaneme T

pro periodu a frekvenci vztahy 1 k m T = 2π 2π m k Odtud jasně plyne, že frekvence a perioda závisí jen na hmotnosti kmitajícího bodu a tuhosti pružiny, nikoli na velikosti tíhového zrychlení. f =

KYVADLO Kyvadlo sehráno významnou úlohu v historii měření času jako jednoduché zařízení, jehož periodu kmitání lze snadno a poměrně přesně nastavit změnou jediného parametru, kterým je délka kyvadla. Konstrukcí mechanizmu kyvadlových hodin proslul holandský fyzik Christian Huygens. Kyvadlem může být každé tuhé těleso otáčivé kolem vodorovné osy umístěné nad jeho těžištěm. Kmitavý pohyb kyvadel, které mají různý tvar a hmotnost, je poměrně složitý. Proto zavedeme jednoduchý model kyvadla, kterým je matematické kyvadlo. Matematické kyvadlo si představujeme jako hmotný bod zavěšený na konci pevného vlákna zanedbatelné hmotnosti. Přibližně ho realizujeme zavěšením malé těžší kuličky na tenkou pevnou nit, jejíž hmotnost je zanedbatelně malá vzhledem k hmotnosti kuličky. Pro frekvenci a periodu kmitání matematického kyvadla platí: l 1 g T = 2π f = g 2π l Frekvence a perioda harmonického pohybu matematického kyvadla závisí na délce jeho závěsu a na velikosti tíhového zrychlení v daném místě. Nezávisí však na hmotnosti kyvadla ani na jeho rozkyvu (jen pokud je úhel rozkyvu malý). Tuto zákonitost objevil již Galileo Galilei při pozorování lustrů v chrámu během bohoslužeb. Potvrdil to pak pokusem se stejně dlouhými

7

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění kyvadly, jejichž duté kuličky byly z různých látek, ale měly stejný objem (aby byl odpor vzduchu stále stejný). Všechna kyvadla kývala souhlasně. Místo periody neboli doby kmitu T se častěji používá doba kyvu τ, která se rovná polovině jeho l doby kmitu. Proto doba kyvu τ = π . g Reálná kyvadla používaná v praxi jsou kyvadla fyzická. Periodu fyzického kyvadla určujeme měřením. Mezi další druhy kyvadel patří např. • sférické kyvadlo: kývá současně ve dvou směrech, koná kruhové nebo eliptické kmity. • reversní kyvadlo: je kyvadlo se dvěmi rovnoběžnými osami, které jsou nesouměrně položeny vzhledem k těžišti a pro něž je doba kyvu kyvadla stejná. • balistické kyvadlo: používá se k balistickým měřením. • Foucaltovo kyvadlo

SLOŽENÉ KMITÁNÍ Působí-li na mechanický oscilátor současně dvě síly, z nichž každá může vyvolat samostatný harmonický pohyb oscilátoru, oba pohyby se skládají a vzniká výsledný pohyb, který nazýváme složené kmitání. Složené kmitání může mít různý průběh. V jednoduchých případech má průběh harmonický, v ostatních případech neharmonický, i když oba skládané pohyby jsou harmonické. Dva oscilátory (kuličku na pružině) spojíme za sebe. Vychýlíme-li tuto soustavu z rovnovážné polohy, pak se dolní oscilátor rozkmitá jednak působením pružné síly vlastní pružiny, jednak kmitáním horního oscilátoru. Mají-li oba oscilátory stejné parametry (stejně těžkou kuličku, stejnou tuhost pružiny), pak harmonické kmitání obou oscilátorů má stejnou frekvenci a výsledné kmitání je rovněž harmonické. Při nestejných parametrech oscilátorů je jejich frekvence různá a výsledné kmitání je sice periodické, ale nikoli harmonické.

Zjišťování výsledného kmitání matematickými postupy je poměrně složité, zvláště při různých frekvencích, amplitudách a počátečních fázích skládaných harmonických pohybů. Obecně platí

8

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění princip superpozice: Koná-li hmotný bod současně dva nebo více harmonických pohybů v jedné přímce s okamžitými výchylkami y1, y2,…, je okamžitá výchylka výsledného kmitání y = y1 + y 2 +  Na principu superpozice je založeno grafické skládání harmonických pohybů. V časovém rozvinutí dvou harmonických pohybů postupně sčítáme, popř. odečítáme jejich okamžité výchylky v jednotlivých časových okamžicích, čímž dostaneme okamžité výchylky výsledného pohybu. Spojením jejich koncových bodů obdržíme časový průběh výsledného kmitání.

Skládáním dvou harmonických kmitání stejného směru a o stejné frekvenci vzniká opět harmonické kmitání téže frekvence. Jeho amplituda závisí na fázovém rozdílu složek.

Jestliže poměr frekvencí nebo period je roven 1 je výsledný kmitavý pohyb harmonický. Jestliže fázový rozdíl ∆ϕ = 0, tzn. při stejné počáteční fázi obou složek), je amplituda složeného kmitání největší. Složené kmitání má stejnou počáteční fázi jako složky. Je-li fázový rozdíl ∆ϕ = π, tj. při opačné fázi obou složek, pak je amplituda výsledného kmitání nejmenší. Složené kmitání má stejnou počáteční fázi jako složka s větší amplitudou. V případě stejných amplitud je výchylka nulová a kmitání zaniká. Superpozicí kmitání různé frekvence, tzn. když f1 ≠ f2, vzniká složené kmitání, které není harmonické. Kmitání však může být periodické a to v případě, že v poměru jejich period, popř. frekvencí, jsou celá čísla. Na následujícím obrázku jsou dvě kmitání s poměrem frekvencí 1:2.

9

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění

Zvláštní případ nastává, když se úhlové frekvence složek velmi málo liší. Z dalšího obrázku je patrné, že amplituda výsledného kmitání se periodicky zvětšuje a zmenšuje. Vzniká složené kmitání, které nazýváme rázy neboli zázněje. Amplituda rázů se mění s frekvencí f = f1 – f2. To znamená, že při postupném přibližování frekvencí obou kmitání se frekvence rázů zmenšuje. Pro f1 = f2 rázy zaniknou. Rázy jsou velmi citlivým indikátorem pro sladění dvou současně znějících tónů. Vymizí-li rázy, jsou oba tóny dokonale sladěny.

Jestliže se kmity dějí v přímkách navzájem kolmých a frekvence f jsou v poměru celých čísel, vznikají Lissajousovy křivky.

10

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění

TLUMENÉ KMITÁNÍ Kmitání, které by probíhalo neomezeně dlouho beze změn své amplitudy, se nazývá kmitání netlumené. Ze zkušenosti však víme, že amplituda výchylky mnohých kmitavých pohybů se postupně zmenšuje, až kmitání zanikne. Probíhá kmitání tlumené.

Příčinou tlumeného kmitání oscilátoru jsou síly, které vznikají v samotném oscilátoru (při deformaci pružných částí oscilátoru), při styku s prostředím (odporová síla prostředí). V obou případech se část mechanické energie oscilátoru postupně mění ve vnitřní energii oscilátoru a prostředí, čímž se oscilátor i prostředí v jeho nejbližším okolí zahřívá. Kromě amplitudy se zmenšuje i perioda kmitání. Kdybychom kmitající kuličku ponořili do různých prostředí, tak může dojít k následujícím jevům • aperiodický přetlumený pohyb, kdy těleso nepřejde přes rovnovážnou polohu. • kritický tlumený aperiodický pohyb, kdy těleso dojde do rovnovážné polohy • tlumený periodický kmitavý pohyb. Tlumením se omezují např. nepříznivé účinky kmitavých pohybů, např. kmitání kol automobilů při jízdě na nerovném terénu – tlumiče pérování, kmitavý pohyb ruček měřících přístrojů apod.

NUCENÉ KMITÁNÍ, REZONANCE Aby kmitání oscilátoru bylo netlumené, je nutné mu dodávat rozdíl energií z vnějšího zdroje. Příkladem mohou být nástěnné hodiny, dětská houpačka. Jestliže chceme, aby se houpačka stále houpala, musíme při každém kmitu působit silou ve směru houpání nebo pravidelně měnit polohu těžiště těla. Svou silou nahrazujeme ztrátu energie, kterou způsobují odporové síly. Houpačku nutíme k houpání, hovoříme proto o kmitání nuceném. Při rozhoupávání houpačky si můžeme všimnout, že při nevhodně voleném silovém působení (co do okamžiku, velikosti, směru) nedosáhneme konstantní amplitudy výchylky. Může se stát, že budeme působit silou v jiném směru než se houpe houpačka. Houpačka se buď rozhoupe s velkými amplitudami, nebo se naopak zastaví. Nucené kmitání může mít různý průběh, podle toho, jakým způsobem je mu energie zvnějšku dodávána.

11

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění Má-li být nucené kmitání oscilátoru harmonické, musí mít harmonický průběh i vnější síly, která na oscilátor působí. Vnější síla, která udržuje netlumené harmonické kmitání oscilátoru, je periodickou funkcí času. Pokud se úhlová frekvence zdroje energie výrazně liší od úhlové frekvence oscilátoru, je účinek vnější síly na amplitudu výchylky nuceného kmitání jen velmi malý. Pokud se úhlová frekvence zdroje energie liší jen málo od úhlové frekvence oscilátoru, amplituda výchylky nuceného kmitání se postupně zvětšuje. Největší je při stejných úhlových frekvencích. Dochází k jevu, který se nazývá rezonance oscilátoru. Vše je znázorněno tzv. rezonanční křivkou. Z jejího tvaru můžeme dobře usuzovat na celkové vlastnosti oscilátoru. Poloha maxima křivky určuje rezonanční frekvenci oscilátoru a tvar křivky je značně ovlivněn tlumením. Ostré maximum charakterizuje oscilátor s malým tlumením (1), kdežto oscilátor s větším tlumením má rezonanční křivku s méně výrazným maximem (2).

Při rezonanci dochází k největšímu přenosu mechanické energie na oscilátor. Proto lze při rezonanci vyvolat i poměrně malou vnější silou velké amplitudy – např. malou silou rozhoupeme i velmi těžký zvon, budeme-li tahat za lano od zvonu v pravidelných časových intervalech, odpovídajících frekvenci jeho vlastního kmitání. Velký význam má rezonance u hudebních nástrojů a v reprodukční zvukové technice. Např. mechanické kmitání strun kytary se přenáší na celé těleso kytary, které pak rezonuje v širokém intervalu frekvencí, čímž se zesilují zvuky. Stejnou funkci mají těla dalších strunných hudebních nástrojů. Zvuky reprodukované hudby jsou výrazně zesilovány bednami v nichž jsou zabudované reproduktorové soustavy. Mnohem větší praktický význam má rezonance elektrických kmitů, na níž je založena většina zařízení pro bezdrátovou komunikaci. Závažný dopad má rezonanční kmitání mostů a vysokých budov, které vzniká větry a zemětřeseními. Rezonanci velkých budov se věnuje velká pozornost od události zřícení mostu Tacoma Narrows Bridge 7. listopadu 1940. Nové velké budovy jsou konstruovány s ohledem na rezonanci a starší budovy (most Golden Gate Bridge) byly dodatečně modifikovány. Budovy se např. konstruují tak, aby se vlastní frekvence jejich úseků lišily a nedocházelo k rozkmitání velkých celků, komponují se do nich statické pohlcovače kmitů.

12

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění V roce 1850 způsobila rezonance dokonce zřícení celého mostu v jednom francouzském městě. Po mostě tehdy pochodovala vojenská jednotka a její pravidelný krok byl v rezonanci s vlastní frekvencí mostu. Vojáci svým krokem rozhoupali most natolik, že to jeho konstrukce nevydržela a praskla. Zahynulo přitom 219 lidí. V technické praxi se přihlíží k rezonanci např. při konstrukci továrních hal, strojů a jejich podstavců, trupů letadel, které by se mohly dostat do rezonance s kmitáním vyvolaným chodem motorů apod. Při konstrukci turbín se používají tzv. pružné hřídele. Jakmile se turbína roztáčí, existuje tzv. kritická hodnota otáček, při kterých dochází k rezonanci s vlastními kmity turbíny (tj. kmity, kdy turbína bude volně upevněna a rozkmitána). Proto je nutné rychle zvýšit otáčky přes tuto hodnotu.

13

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění

2

Mechanické vlnění Vlnění je nejrozšířenějším druhem pohybu v přírodě. S vlněním se setkáváme v podobě zvuku, světla, rozhlasového či televizního vysílání atd. Vlnění mají různou fyzikální podstatu. V přírodě se můžeme setkat s těmito druhy vln: mechanické, elektromagnetické a de Broglieho.

VZNIK A DRUHY VLNĚNÍ Vhodíme-li na klidnou vodní hladinu rybníka kámen, hladina se jeho dopadem rozkmitá a z místa rozruchu se začnou šířit kruhové vlny. Vzniklo vlnění. Šíření kmitavého rozruchu prostředím se nazývá vlnění. Vlněním se přenáší pouze energie, částice kmitají, ale nepřemísťují se ve směru šíření vlnění. Místo, z něhož se rozruch šíří, je zdroj vlnění. Důkazem je např. plovoucí listí na rozvlněné hladině vody. Po hladině se sice šíří vlny, ale listí zůstává na místě (platí to samozřejmě jen pro malé vlnky). Příčinou mechanického vlnění je existence vazeb mezi částicemi (atomy, molekulami) prostředí, kterým se vlnění šíří. Kmitání jedné částice se vzájemnou vazbou přenáší na další částici. Současně se na tuto částici přenáší energie kmitavého pohybu. Takové prostředí označujeme jako pružné prostředí (v kapalině, pevné látce i plynu, tj. v látkách, kde mezi částicemi existují vazby). Jakmile je vazba porušena – jedna částice se vychýlí z rovnovážné polohy, postupně rozkmitá další a další částice prostředí. Říkáme, že se prostředím šíří postupné vlnění. Pro zjednodušení se budeme zabývat vlněním, které se šíří jen v jednom směru. Jednotlivé částice si představíme jako řadu bodů vzájemně vázaných pružnými silami. Při postupném vlnění se pohybují všechny částice prostředí. Každá z nich dosahuje postupně amplitudy výchylky a pak je zase v určitém okamžiku v klidu.

14

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění Mechanické vlnění se šíří jen pružným prostředím a jeho rychlost (v) závisí na prostředí. Dráhu, kterou vlnění proběhne za jednu periodu (T), nazveme vlnová délka (λ). Vlnová délka je obecně vzdálenost kterýchkoli dvou nejbližších bodů, které kmitají se stejnou fází. Body ve vzdálenosti λ/2 kmitají s opačnou fází. Platí pro ni obdoba vztahu pro dráhu rovnoměrného přímočarého pohybu s = v.t c λ = cT nebo λ = . f Kde f je frekvence vlnění, což je frekvence kmitání jak počátečního bodu řady, tak všech ostatních bodů řady, k nimž kmitavý rozruch dospěje.

Postupné vlnění je dvojího druhu podle toho, jakým směrem kmitají jednotlivé částice vzhledem ke směru šíření vlnění: - kolmo na směr šíření vlnění - příčné vlnění (v prostředích, kde vznikají pružné síly při změně tvaru tělesa - v pevných látkách a na hladině kapalin) - směr výchylky je rovnoběžný se směrem vlnění, prostředí se zhušťuje a zřeďuje vlnění podélné (v prostředích, kde vznikají pružné síly při změně objemu - v plynech, pevných látkách i kapalinách). Podélné vlnění charakterizujeme zhuštěním a zředěním částic v bodové řadě. Protože jsou amplitudy výchylek jednotlivých částic velmi malé a jejich směr splývá se směrem šíření vlnění, není většinou podélné vlnění přímo pozorovatelné, např. šíření zvuku ve vzduchu.

ROVNICE POSTUPNÉ VLNY Uvažujme opět řadu bodů, jejíž počáteční bod uvedeme do kmitavého pohybu. Je-li jeho kmitání harmonické, mění se okamžitá výchylka y v závislosti na čase t podle vztahu y = y m sin ω t kde ym je amplituda výchylky a ω úhlová frekvence kmitání. Jsou-li částice bodové řady vzájemně vázány pružnými silami, kmitání se přenáší od počátečního bodu postupně na další částice a bodovou řadou se šíří postupné vlnění.

15

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění

Do určitého bodu M bodové řady, který leží ve vzdálenosti x od počátečního bodu 0, dospěje vlnění x při rychlosti v za dobu t = . O tuto dobu začne bod M kmitat později než počáteční bod 0. Proto v okamžitá výchylka bodu M je x  y = y m sin ω  t −  v  Dostáváme rovnici postupné vlny, která vyjadřuje závislost okamžité výchylky libovolné kmitající částice bodové řady jednak na čase t, který měříme od okamžiku průchodu počátečního bodu řady rovnovážnou polohou, jednak na vzdálenosti x částice od počátečního bodu, který je zdrojem vlnění. Okamžitá výchylka částice bodové řady je funkcí dvou proměnných: času a vzdálenosti místa od zdroje vlnění. Proto říkáme, že postupné vlnění je periodický děj v prostoru a čase. 2π Dosadíme-li do rovnice ω = a vT = λ , dostáváme rovnici postupné vlny ve tvaru: T  t x y = y m sin 2π  −  T λ  Obě rovnice pro okamžitou výchylku platí jak pro postupné vlnění příčné, tak pro postupné vlnění podélné.

INTERFERENCE VLNĚNÍ Co se stane, spadnou-li na hladinu současně dva kameny? Vzniknou dvě kruhové vlny, které se navzájem překrývají. Při svém pohybu se však neovlivňují a šíří se navzájem nezávisle. V místech, kde se vlny překrývají, však pozorujeme, že má amplituda jednotlivých vln různou velikost. Přitom některá místa vodní hladiny kmitají se zvětšenou amplitudou výchylky, zatímco jiná místa zůstávají téměř v klidu. Je to způsobeno tím, že obě vlnění se při vzájemném setkání skládají v jediné vlnění výsledné. Děj, při kterém dochází ke skládání dvou nebo více vlnění, nazýváme interference vlnění. Kmitání jednotlivých míst pružného prostředí, v nichž vlnění interferují se řídí principem superpozice. Okamžitá výchylka výsledného kmitání určitého bodu prostředí se rovná součtu okamžitých výchylek kmitání způsobených šířením jednotlivých vlnění. Proto se mohou vlnění interferencí zesilovat nebo zeslabovat či dokonce navzájem zcela rušit. Vznikají tzv. interferenční maxima a minima, jejichž rozmístění v pružném prostředí závisí na vlastnostech skládaných vlnění a na vzdálenostech zdrojů vlnění.

16

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění Stálé rozmístění interferenčních maxim a minim nastává při skládání dvou vlnění stejné frekvence a s konstantním fázovým rozdílem kmitání jejich zdrojů. Taková dvě vlnění se nazývají vlnění koherentní (z latinského cohaere = souviset). Nejsou-li vlnění koherentní, interferenční jev nepozorujeme. Nejjednodušší případ interference vlnění nastává skládáním dvou postupných příčných vlnění o stejné amplitudě výchylky ym a stejné frekvenci ω, která se šíří stejnou rychlostí v v téže bodové řadě týmž směrem.

Uvažujme bod M, do něhož dospějí dvě příčná vlnění ze zdrojů Z1 a Z2. Jsou-li x1 a x2 vzdálenosti těchto zdrojů od bodu M, pak okamžité výchylky obou vlnění v bodě M jsou x  x    y1 = y m sin ω  t − 1  y 2 = y m sin ω  t − 2  v v    Při stejném směru okamžitých výchylek, tj. při stejném směru kmitání bodu M je výsledná okamžitá výchylka y = y1 + y 2 . Protože pro okamžité výchylky bodu M můžeme psát také vztahy ve tvaru y1 = y m sin ( ω t + ϕ 1 ) y 2 = y m sin ( ω t + ϕ 2 ) počáteční fáze kmitání bodu M jsou

ϕ1 = −

ω x1 v

ϕ2= −

ω x2 v

Fázový rozdíl obou kmitání je pak

ω ( x1 − x 2 ) = 2π ( x1 − x 2 ) v λ kde výraz x1 − x 2 = ∆ x je tzv. dráhový rozdíl vlnění. Je-li dráhový rozdíl delta x dvou vlnění λ - λ, 2λ, 3 λ, obecně 2k , tj. rovná-li se sudému počtu půlvln, je výsledná amplituda 2 složeného vlnění maximální a rovná se hodnotě 2ym ∆ϕ = ϕ 2 − ϕ1 =

-

λ 3λ 5λ λ , , , obecně ( 2k + 1) , tj. rovná-li se lichému počtu půlvln, je výsledná amplituda 2 2 2 2 nulová a obě vlnění se navzájem ruší.

17

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění

ODRAZ VLNĚNÍ. STOJATÉ VLNĚNÍ Velmi důležitý a zajímavý jev nastane, dorazí-li vlna na konec řady bodů. Na konci se odráží a postupuje opačným směrem zpět. Na konci nastal odraz vlnění. Jestliže k pevnému konci dospěl nejdříve vrch vlny a po něm důl, pak po odrazu je situace opačná. Nejdříve postupuje důl odražené vlny a teprve pak její vrch. Můžeme říct, že fáze odražené vlny je opačná.

Jiný průběh má odraz vlnění v případě, že konec vlny není upevněn, tzn. je volný. Na rozdíl od předchozího případu odraz probíhá tak, že fáze odražené vlny je stejná jako fáze vlny před odrazem.

Jestliže jeden konec pružného vlákna trvale harmonicky kmitá, postupuje vlnění ke druhému konci, tam se odráží a postupuje opačným směrem, tzn. zpět ke zdroji vlnění. Nastává zajímavý a velmi důležitý případ, kdy interferují dvě stejná vlnění – přímé a odražené, která postupují stejnou rychlostí opačnými směry. Na rozdíl od postupného vlnění, kdy všechny body postupně kmitají se stejnou amplitudou, v tomto případě je amplituda jednotlivých bodů kmitajícího vlákna různá. Některé body vlákna dokonce zůstávají trvale v klidu. Průběh vlnění na vlákně vytváří dojem ustáleného stavu, jako by vlna na vlákně stála a nepohybovala se. Tento zvláštní druh vlnění označujeme jako stojaté vlnění.

18

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění

Vznik stojatého vlnění si objasníme grafickou superpozicí dvou stejných vlnění postupujících opačným směrem proti sobě. Vidíme, že bod M a také všechny další body vzdálené od něho o celistvé násobky poloviny vlnové délky kmitají s největší amplitudou. V těchto bodech vzniká kmitna stojatého vlnění. Naopak body, jejichž amplituda výchylky je nulová, zůstávají trvale v klidu. V těchto bodech vznikají uzly.

I když stojaté vlnění vzniká skládáním dvou vlnění postupných, liší se od postupného vlnění několika vlastnostmi:

Postupné vlnění

Stojaté vlnění

postupně všechny body řady kmitají se stejnou amplitudou výchylky body řady kmitají s různým fázovým zpožděním, tzn. že každý další bod řady dosáhne největší výchylky "o něco později" než bod předcházející žádný bod řady není trvale v klidu

body kmitají s různými amplitudami výchylky body ležící mezi dvěma sousedními uzly kmitají se stejnou fází existují body, které jsou trvale v klidu (uzly) a body, které trvale kmitají s maximální

19

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění amplitudou (kmitny) Stojaté vlnění může být podélné i příčné. Typické příklady si můžeme ukázat u hudebních nástrojů: - příčné vlnění stojaté vzniká u strunných nástrojů (housle, kytara), zdrojem zvuku je příčné stojaté vlnění struny. - podélné stojaté vlnění vzniká rozechvíváním vzduchových sloupců u dechových nástrojů (trubka, klarinet). Podobně jako u příčného stojatého vlnění existují i zde body s maximální a minimální amplitudou výchylky, tj. kmitny a uzly, jenže v případě podélného stojatého vlnění kmitají částice vzduchu ve směru podélné osy vzduchového sloupce, tj. ve směru obou postupných vlnění, jejichž složením stojaté vlnění vzniká. Podélné stojaté vlnění neboli chvění vzduchových sloupců je zdrojem tónů u dechových hudebních nástrojů.

CHVĚNÍ MECHANICKÝCH SOUSTAV Příčné stojaté vlnění můžeme pozorovat u napjaté struny nebo napjatého vlákna. V tomto případě mluvíme o chvění. Chvění struny probíhá obvykle tak, že na koncích struny jsou uzly a mezi nimi jedna nebo více kmiten. Označíme-li k počet kmiten na struně, pak její délka λ l= k , 2 v kde λ je vlnová délka stojatého vlnění. Dosadíme-li pro vlnovou délku λ = , kde v je rychlost f šíření vlnění ve struně a f frekvence chvění struny, dostaneme po úpravě v f = k . 2l Frekvence chvění struny a tím také frekvence znějícího tónu, který struna vydává, je určena počtem v půlvln stojatého vlnění na struně. Pro k = 1 je f z = , což je základní frekvence struny (struna 2l vydává základní tón). Pro k > 1 je f = kf z , což jsou vyšší harmonické frekvence (struna vydává vyšší harmonické tóny).

Podobně vzniká chvění u tyčí upevněných uprostřed, jejichž konce jsou volné. Pak je uzel vždy ve středu tyče a na koncích tyče vznikají kmitny.

20

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění

Chvění je charakteristické pro zdroje zvuku jako např. hudební nástroje, ale i pro lidské hlasivky. Zdroje zvuku tedy plní funkci oscilátoru, ze kterého se kmitání přenáší do okolního prostředí, nejčastěji do vzduchu. Ve vzduchu vznikají periodické změny tlaku vzduchu a prostředím se šíří postupné podélné zvukové vlnění. Chvění samozřejmě nepozorujeme jen u jednorozměrných předmětů. Důležitou roli hraje studium chvění desek, blan a jiných podobných objektů pro konstrukci různých elektroakustických zařízení (membrány reproduktory, sluchátka, mikrofony apod.), u nichž požadujeme vysokou kvalitu přenosu zvukových signálů.

ŠÍŘENÍ VLNĚNÍ Rychlost, kterou se vlnění šíří v prostoru, závisí na fyzikálních vlastnostech prostředí, např. na pružnosti a hustotě prostředí. Jsou-li fyzikální vlastnosti prostředí ve všech směrech stejné, je také ve všech směrech stejná velikost rychlosti vlnění. Takové prostředí nazýváme izotropní prostředí. Dále se budeme zabývat šířením vlnění v izotropním prostředí. Stane-li se určitý bod prostředí, např. vzduchu, zdrojem kmitavého rozruchu, postupuje vlnění ze zdroje všemi směry rychlostí o velikosti v a za dobu t dosáhne vzdálenosti r = vt . Všechny body, do nichž dospěje vlnění z bodového zdroje za stejnou dobu, leží na kulové ploše K, kterou nazýváme vlnoplocha. Všechny body téže vlnoplochy kmitají se stejnou fází. Směr šíření vlnění určuje přímka p, která vychází ze zdroje vlnění kolmo na vlnoplochu a nazývá se paprsek. Všechny paprsky jsou kolmé na vlnoplochu.

V blízkosti bodového zdroje vlnění se vytvářejí kulové vlnoplochy. Ve větších vzdálenostech od zdroje je však zakřivení kulových vlnoploch tak malé, že můžeme jejich části nahradit vlnoplochami rovinnými. Rovinné vlnoplochy R jsou navzájem rovnoběžné a stejně tak rovnoběžné jsou i paprsky p.

21

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění Nejnázornějším příkladem vlnění jsou vlny na vodě. Je zajímavé, že vlnění se šíří jen po hladině. S rostoucí hloubkou se amplituda rychle zmenšuje. V hloubce rovné polovině vlnové délky klesne amplituda dvacetkrát a v hloubce rovné vlnové délce již prakticky žádný pohyb není. Pro rychlost vlnění na otevřeném moři platí gT v= 2π u pobřeží je závislost složitější. Každá částice, k níž dospěje postupné vlnění, se rozkmitá. Podobně koná kmitavý pohyb i každý bod vlnoplochy v prostoru. Protože kmitající body vlnoplochy jsou vázány pružnými silami s dalšími body prostředí, můžeme je považovat za místa nového kmitavého rozruchu, za nové zdroje vlnění. Příkladem může být šíření mechanického vlnění na vodní hladině. Jestliže použijeme překážku s malým otvorem, pak se za otvorem vytvářejí nové vlny tak, jako kdyby byl otvor zdrojem vlnění. Obecně pro šíření vlnění v libovolném pružném prostředí platí tzv. Huygensův princip, který zformuloval před 300 lety Ch. Hugens: Každý bod vlnoplochy, do něhož dospěje vlnění v určitém okamžiku, se stává zdrojem nového, tzv. elementárního vlnění, které se šíří z tohoto zdroje v elementárních vlnoplochách. Vnější obalová plocha všech elementárních vlnoploch tvoří pak výslednou vlnoplochu v dalším časovém okamžiku. Význam Huygensova principu je patrný z obrázku. Vlnění, které se šíří z bodového zdroje Z rychlostí v, dospěje za dobu t do vzdálenosti r = vt a vytvoří kulovou vlnoplochu K1. Každý bod této vlnoplochy, který je zdrojem nového vlnění, vytvoří za dobu ∆t elementární vlnoplochu o poloměru ∆ r = v.∆ t . Protože elementární vlnění ze všech bodů vlnoplochy K1 jsou koherentní (tj. kmitají se stejnou frekvencí a stejnou fází), navzájem interferují. Interferencí se ruší elementární vlnění ve všech bodech kromě bodů ležících na vnější obalové ploše všech elementárních vlnoploch. Tato vnější obalová plocha o poloměru r + ∆ r je výslednou vlnoplochou K2, k níž dospělo vlnění ze zdroje Z za dobu t + ∆ t . Huygensův princip doplnili Fresnel a Kirchhoff. Ukázali a vysvětlili, že účinek elementárních vlnoploch se projevuje právě na vnější obálce. Příčinou je interference elementárních vln, které se zesilují právě jen na vnější obálce a dávají tak vzniknout výsledné vlnoploše. Huygensův princip doplněný tímto poznatkem se nazývá Huygensův – Fresnelův. Pomocí Huygensova principu můžeme konstruovat vlnoplochy v každém dalším okamžiku šíření vlnění, známe-li polohu některé vlnoplochy v okamžiku předcházejícím, a to i tehdy, jestliže neznáme polohu zdroje vlnění.

ODRAZ A OHYB VLNĚNÍ Jestliže vložíme vlnění do cesty překážku mohou nastat podle rozměrů překážky dva základní případy dalšího šíření vlnění: • překážka je větší oproti vlnové délce – dochází k odrazu vlnění.

22

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění Princip odrazu vlnění můžeme vysvětlit pomocí Huygensova principu. Sledujeme vlnoplochu K, která postupuje ze zdroje Z k rovinné překážce. K ní vlnění dospívá postupně v bodech A, B, B´, C, C´, D, D´. V době, ve které vlnění dorazilo do bodu D a D´, vznikly již kolem bodů A, B, B´, C, C´, elementární vlnoplochy o poloměrech odpovídajících okamžiku dopadu vlnění na překážku. Jejich vnější obalová plocha tvoří výsledný tvar vlnoplochy odražené.

Podobným způsobem sestrojíme tvar odražené vlnoplochy v případě odrazu vlnoplochy rovinné. Sledujme rovinnou vlnoplochu, která svírá s rovinou překážky úhel dopadu α. Vlnění dospívá k překážce postupně v bodech A, B, C, D. V čase t, ve kterém vlnění dorazilo z bodu E do bodu D, vznikla kolem bodu A elementární vlnoplocha o poloměru AA´ = vt, kolem bodu B vlnoplocha o poloměru BB´ a kolem bodu C vlnoplocha o poloměru CC´. Vnější obálka A´D těchto elementárních vlnoploch dává vlnoplochu odraženou, která je rovinná a svírá s překážkou úhel odrazu α´. Poněvadž ∆ ADE = ∆ DAA ´, platí α´ = α. Úhel odrazu vlnění se rovná úhlu jeho dopadu na překážku = zákon odrazu vlnění.

• překážka je menší oproti vlnové délce – dochází k ohybu vlnění. Princip ohybu vlnění můžeme vysvětlit pomocí Huygensova principu. Okraje překážky, k nimž vlnění dospěje, se stávají zdrojem elementárních vlnění, která se v případě blízkých okrajů, tj. malých rozměrů překážky, za překážkou spojují, čímž vytvoří souvislou výslednou vlnoplochu.

23

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění Podobný jev nastává, je-li v překážce velkých rozměrů malý otvor. Pozorujeme, že za překážkou se vlnění šíří všemi směry, ačkoliv bychom očekávali, že po průchodu otvorem bude vlnění postupovat jen původním směrem, kterým se šířila rovinná vlna. Pokus je důkazem, že nastal ohyb vlnění. Oba jevy mají velký význam v oblasti šíření světla a zvuku a rozhlasových vln .

ZEMĚTŘESENÍ Příčinou zemětřesení je téměř neznatelný pohyb částečně plastických hornin v zemské astenosféře. Ve křehkých horninách litosféry, která leží na astenosféře, vyvolá napětí. Po nějaké době křehké horniny napětí nevydrží, prasknou a napětí se uvolní jako zemětřesné vlny. Zemětřesení mohou vznikat v hloubce až 720 kilometrů. Ta, jež se projevují na povrchu, ale nevznikají hlouběji než 70 kilometrů pod povrchem. Země je dobrým zvukovým vodičem, proto nás zvukové vlny šířící se Zemí informují o procesech uvnitř Země. Tyto vlny nazýváme seismické, a zaznamenáváme je velmi citlivými přístroji seismografy. Používají se dva druhy seismografů  vertikální (slouží k zaznamenání horizontální posuvů)



horizontální (slouží k zaznamenání vertikálních posuvů)

Jestliže k měření použijeme jeden vertikální a dva horizontální s navzájem kolmými rovinami, získáme informace o rychlosti i směru jakéhokoli posunu. Jako zemětřesení označujeme jakékoli vychýlení seismografu. Není proto divu, že ročně jich je několik set tisíc. Seismolog zjišťuje údaje o všech typech vln:  podélná (dorazí první)  příčná Intenzita podélných a příčných vln klesá se čtvercem vzdálenosti od zdroje, protože se šíří prostorem v kulových vlnoplochách.  povrchová – intenzita klesá se vzdáleností, protože se šíří v ploše v kruhových vlnoplochách. Z toho důvodu je také nejintenzivnější, má největší účinky.

24

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění

3

Akustika CO JE TO AKUSTIKA Již jsme si vysvětlili jak vznikají kmity. Jak ale reaguje okolní prostředí na tyto kmity? Kmitající předmět naráží na okolní částice a postupně je rozpohybuje. Tyto částice dál naráží do okolních částic, které jsou ve větší vzdálenosti. Říkáme, že prostředím se šíří zvuk. Speciálním oborem nauky o mechanickém vlnění je akustika. Zabývá se ději, které probíhají při vzniku, šíření a vjemu zvuku. Akustika zahrnuje tedy: • zdroje zvuku, • prostředí, kterým se zvuk šíří • přijímače zvuku, nejčastěji lidské ucho. Zvukem nazýváme mechanické vlnění, které vnímáme sluchem, jeho frekvence je v rozmezí od 16 Hz do 16 kHz. V širším smyslu slova zahrnuje i zvukové vlny, které jsou mimo obor slyšitelných frekvencí (ultrazvuk, infrazvuk). Zvuk můžeme studovat z různých hledisek. • fyzikální akustika – studuje vznik zvuku v různých zdrojích, jeho šíření, odraz, pohlcování apod. • fyziologická akustika – zabývá se vznikem zvuku v lidských hlasivkách a jeho vnímáním v uchu. • hudební akustika – zkoumá zvuky a jejich kombinaci se zřetelem na potřeby hudby. • stavební akustika – zkoumá podmínky dobrého a nerušeného poslechu řeči i hudby v obytných místnostech, v konferenčních nebo koncertních sálech. • elektroakustika - se zabývá záznamem, reprodukcí a šířením zvuku.

25

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění

VZNIK A DRUHY ZVUKU Zdrojem zvuku může být každé chvějící se těleso, tj. těleso, ve kterém vzniklo stojaté vlnění. Mohou to být hudební nástroje, ladičky, hlasivky, ale i jiná chvějící se tělesa, např. součástky strojů, motory apod. U hudebních nástrojů se jako zdroje zvuku používají • struny – napjaté pevné vlákno, upevněné na obou koncích. Struny se rozechvívají smyčcem, drnkáním nebo nárazem. Po rozechvění struny se z místa rozruchu šíří oběma směry postupné příčné vlnění k oběma pevným koncům struny, kde se odráží s opačnou fází. Původní a odražené vlnění interferuje a vzniká příčné stojaté vlnění – chvění. • tyče (xylofon), • desky – rozechvívají se smyčcem nebo nárazem. Vlnění se v deskách šíří z místa vzniku různými směry, odráží se od okrajů a interferencí vzniká stojaté vlnění. V bodech s nulovou výchylkou se vytvářejí uzlové čáry. O tom bychom se mohli přesvědčit posypáním desky jemným pískem, písek by se během kmitání přesunul do uzlových čar a vznikly by tzv. Chladniho obrazce. • membrány – jsou upevněny na okrajích. Vlastní kmity membrány jsou silně utlumené, a proto mohou membrány rezonovat v širokém oboru frekvencí. Membrány i desky se užívají k reprodukci zvuku v mikrofonech, reproduktorech a v hudebních nástrojích (buben). Ušní bubínek je rovněž tvořen blánou, která má v uchu funkci přijímače zvuku. • píšťaly jsou trubice, v nichž se uvádí vzduchový sloupec do podélného chvění foukáním proti ostré hraně zvané ret nebo chvěním pružného jazýčku. Ret nebo jazýček mají funkci zdroje kmitů a vzduchový sloupec rezonátoru a zesilovače zvuku. • hlasivky Podle povahy zvukového vjemu rozlišujeme zvuky • nehudební (neperiodické) se nazývají také hluk nebo šum, jsou způsobeny nepravidelnými mechanickými rozruchy a vnímáme je jako praskání, šramot, vrzání, bouchnutí apod. Také souhlásky mají nepravidelný průběh

•

hudební (periodické) neboli tóny jsou způsobeny periodickým chvěním. Patří mezi ně nejen zvuky hudebních nástrojů, ale i samohlásek. Nejjednodušší hudební zvuk, který má sinusový průběh nazýváme jednoduchý tón. Složitější periodické tóny nazýváme složený tón.

26

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění

ŠÍŘENÍ ZVUKU Ze zdroje zvuku se šíří zvukové vlnění do okolního prostředí. V kapalinách a plynech se šíří jako postupné vlnění podélné, v pevných látkách jako postupné vlnění podélné i příčné. Nutnou podmínkou pro šíření zvuku je pružné prostředí. V nepružném prostředí (vlna, korek, plsť apod.) se zvuk šíří špatně. Takové látky používáme jako zvukové izolátory. Ve vzduchoprázdnu se zvuk nešíří. Zvukové vlnění má všechny vlastnosti vlnění v prostoru. Pro vlnovou délku λ platí vztahy λ = vT , v λ = , kde T je perioda a f frekvence vlnění. Vlnové délky zvuku jsou v rozmezí od 21 m pro f frekvenci 16 Hz do 21 mm pro frekvenci 16 kHz. Rychlost zvuku závisí na druhu, hustotě prostředí a na teplotě t, dále na přítomnosti dalších látek, vodní páry a vlhkosti vzduchu. Pro rychlost zvuku ve vzduchu platí vztah vt = kt + v0 kde vt je velikost rychlosti zvuku při teplotě t, konstanta k = 0,6 m.s-1.K-1 a v0 = 331,6 m.s-1 je rychlost zvuku ve vzduchu při teplotě 0 oC. Obvykle počítáme s hodnotou 340 m.s-1, která odpovídá teplotě vzduchu asi 15 oC. V kapalných a pevných látkách je rychlost zvuku větší než ve vzduchu. Prostřední Rychlost (m.s-1) voda 1 440 beton 1 700 led 3 200 dřevo 4 000 ocel 5 000 sklo 5 200

Absorpce zvuku V důsledku toho, že při dopadu zvukového vlnění na stěnu část zvukové energie proniká do druhého prostředí a jen zbytek se vrací, intenzita odraženého vlnění I je vždy menší než intenzita na stěnu dopadajícího vlnění I0. Podíl I − I a= 0 I0 se nazývá koeficient absorpce zvuku při odrazu a závisí především na materiálu stěny, ale mění se i s výškou zvukového vlnění - pro nižší tóny je koeficient absorpce tónu menší a pro vyšší tóny je naopak o něco vyšší. Přesvědčit se o tom můžeme například v lese, kde na stromech dochází k útlumu vysokých frekvenci. Koeficienty absorpce některých pevných materiálů pro zvuk s frekvencí 512 Hz popisuje následující tabulka. Materiál mramor beton sklo

Koeficient absorpce 0,010 0,015 0,027

Materiál dřevěná podlaha linoleum obrazy

Koeficient absorpce 0,10 0,12 0,28

27

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění omítnutá stěna neomítnutá stěna stěna obložená dřevem

0,025 0,032 0,10

koberce plyš celotex

0,29 0,59 0,64

Celkovou absorpci A místnosti získáme tak, že velikosti ploch jednotlivých stěn vynásobíme jejich absorpčními koeficienty a získané součiny sečteme. Absorpční koeficient otevřeného okna se rovná 1 (od otevřeného okna se zvukové vlnění neodráží), a proto se absorpce otevřeného okna rovná jeho ploše. To znamená, že absorpci otevřeného okna s plošným obsahem 1 m2 je A = 1 m2. Díky tomuto poznatku se jednotka celkové absorpce (rozměr m2) nazývá "otevřené okno". Při počítání celkové absorpce je třeba brát v úvahu i absorpci těl osob, přítomných v místnosti a absorpci nábytkem. Tak například na 1 osobu připadá průměrně 0,42 m2 (otevřených oken), na dřevěnou židli 0,01 m2 a na čalouněné křeslo 0,09 až 0,28 m2.

Odraz zvuku Při dopadu zvuku na rozhraní dvou prostředí dochází k částečnému odrazu zvuku. Množství odražené energie závisí na druhu obou prostředí. Např. vzduch – voda přechází jen 1/1000 energie zvuku, voda – ocel 13 % energie zvuku. Množství odražené energie zvuku závisí na hustotě obou prostředí. Odraz zvukových vln můžeme pozorovat při odrazu zvuku na velké překážce, např. na skalní stěně, velké budově apod. Sluchem můžeme rozlišit dva krátké zvuky následující po sobě tehdy, je-li mezi nimi časový interval alespoň 0,1 s. Dostane-li se zvukové vlnění od zdroje k překážce a zpět za 0,1 s nebo za dobu delší, vnímáme odražený zvuk jako samostatný zvukový vjem – vznikla ozvěna. Při rychlosti zvuku 340 m/s musí být stěna od nás vzdálena minimálně 17 m. Čas 0,1 s potřebujeme přibližně k vyslovení jedné slabiky, proto v tomto případě vznikne ozvěna jednoslabičná. Při vzdálenosti 17n vznikne ozvěna n-slabičná. Je-li několik překážek, na kterých se může zvuk odrážet, pak při jejich vhodné vzdálenosti vnímáme po sobě odrazy téhož zvuku. V Teplických skalách u Broumova můžeme slyšet trojnásobnou ozvěnu sedmislabičnou. V kapli Chapel of the Mausoleum v Hamiltonu ve Velké Británii postavené v letech 1840 – 1855 je nejdelší ozvěna, která trvá 15 sekund a následuje po zabouchnutí dveří. Z d

tě s á n z ra d O

Jiná situace nastane, je-li zdroj zvuku a posluchač na jiném místě. V tomto případě spočívá fyzikální princip vzniku ozvěny v rozdílu vzdáleností, kterou urazí zvuk jdoucí přímo od zdroje k posluchači a vzdáleností, kterou urazí zvuk jdoucí k posluchači od zdroje po odrazu od odrazné stěny . Časový interval mezi přímým zvukem a zvukem odraženým od odrazné stěny je dán vztahem: d + d2 − d ∆t = 1 v kde v je rychlost zvuku.

D

Je-li odrážející stěna blíže ke zdroji zvuku než 17 m, ozvěna nevzniká, ale prodlužuje se trvání zvuku původního – vzniká dozvuk. V malých místnostech slouží k zesílení sluchového vjemu, neboť následuje po původním zvuku tak rychle, že s ním splývá. Splývá-li odražený zvuk se zvukem následujícím, konce slov se prodlužují a řeč se stává nesrozumitelnou. Tento jev známe

28

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění např. z nádražních hal. S dozvukem je třeba počítat při projektování konferenčních a hudebních sálů, rozhlasových studií, továrních hal apod. Zajímavou vlastnost má elipsoid (těleso vytvoření při rotaci elipsy kolem hlavní osy). Zvuk jdoucí z jednoho ohniska se odráží do druhého ohniska

Proto např. v kostele, kde strop má tvar přibližně části elipsoidu mohli mniši v dobách inkvizice odposlouchávat cizí tiché hovory, aniž by si toho kdokoli všiml. Obdobný tvar má i kukaň nápovědy v divadle.

Ohyb zvuku Vzniká za otvory/předměty (zvukovými izolátory), které mají stejné nebo menší rozměry než vlnová délka zvukové vlny. Má-li však otvor/překážka velké rozměry proti vlnové délce zvuku, vzniká v prostoru za překážkou akustický stín, tj. prostor, kde se zvuk nešíří. Frekvence lidského hlasu je přibližně 1000 Hz, tomu odpovídá vlnová délka 30 cm, proto se lidský hlas na otvorech menších ohýbá.

29

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění

VLASTNOSTI ZVUKU Zvukové vlnění můžeme charakterizovat:

Výška Výšku jednoduchého tónu udává jeho frekvence. Čím vyšší je frekvence chvění zdroje zvuku, tím má zvuk větší výšku. Slyšitelné zvukové vlnění má frekvenci od 16 Hz do 16 kHz. U jednoduchého tónu určuje frekvence absolutní výšku tónu. U složeného tónu, který obsahuje složky různých frekvencí, je výška dána základní tj. nejnižší frekvencí. Vzhledem k tomu, že absolutní výšku tónu většinou nedokážeme přímo určit sluchem, zavádíme relativní výšku tónu. Je dána poměrem frekvence daného tónu k frekvenci tónu základního. Jako základní tón byl v hudební akustice mezinárodní dohodou hudebníků ve Vídni z roku 1885 stanoven tón o frekvenci 435 Hz, avšak nyní je to tón o frekvenci 440 Hz. Je označovaný jako komorní a. V technické praxi se jako základní tón používá tón o frekvenci 1 kHz. Proč hmyz často vydává bzučivé zvuky? Bzučení - slyšitelné jen za letu - je způsobeno tím, že letící hmyz kmitá křidly i několiksetkrát za vteřinu. Křídlo je v tomto případě vlastně kmitající destička vydávající tón určité výšky. Proto, když chceme zjistit kolikrát za vteřinu ten který brouk mávne křídli, stačí zjistit výšku tónu, který vydává. Zjistilo se, že každý hmyz má kmitočet křídel téměř neměnný. Hmyz řídí let tím, že mění jen velikost rozkmitu ("amplitudu") a sklon křídel, kdežto počet kmitů za vteřinu se zvyšuje jen vlivem chladu. Proto také tón, který hmyz při letu vydává, se nemění. Bylo například zjištěno, že moucha domácí (vydávající za letu tón f) udělá za vteřinu 352 kmitů křídly, čmelák mávne křídly za tutéž dobu 220krát. Včela letící bez zatížení vydává tón a, mávne tedy křídly 440krát za vteřinu, je-li však obtížena medem, jen 330krát (tón e). Brouci vydávají při letu nižší tóny a pohybují tedy křídly pomaleji. Zato komár mávne křídly 500-600krát za vteřinu. Pro srovnání uveďme, že vrtuli letadla “stačí” už asi 25 otáček za vteřinu.

Barva Umožňuje subjektivně rozlišit tóny stejné výšky, které vydávají různé zdroje, např. hudební nástroje. Říkáme, že zvuky hudebních nástrojů i lidské hlasy mají různé zabarvení. Podle Fourierovy teorie lze libovolnou periodickou funkci s periodou T zapsat jako lineární T kombinací harmonických funkcí s periodami , kde n je přirozené číslo. Právě koeficienty v této n 1 lineární kombinaci matematicky popisují barvu tónu. Frekvence f = se nazývá frekvencí T základní, frekvence odpovídající přirozeným násobkům této základní frekvence f n = n ⋅ f nazýváme vyššími harmonickými frekvencemi, výsledek analýzy nazýváme frekvenční spektrum. Amplituda vyšších tónů harmonických je různá, ale podstatně menší než amplituda tónu základního. Výsledný zvuk je vlivem vyšších tónů harmonických pro daný zdroj zvuku zcela charakteristický. Čím více takových harmonických složek daný tón obsahuje a čím výrazněji tyto složky znějí, tím je

30

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění barva tónu plnější, sytější. Když jsou z vyšších harmonických tónů silné jen některé, zvuk nabývá pronikavosti a lesku, jako například zvuk houslí. Tóny chudé na vyšší tóny harmonické znějí dutě, prázdně. Barvu tónu u jednotlivých hudebních nástrojů můžeme ovlivňovat tvarem a materiálem rezonanční skříňky. Tím se zesilují nebo zeslabují určité vyšší harmonické tóny.

Intenzita zvuku Zvukové vlny vycházející ze zdroje způsobují periodické zhušťování a zřeďování okolního pružného prostředí. Při šíření zvuku tedy dochází k tlakovým změnám, které ucho vnímá jako zvuk o různé hlasitosti. Nejnižší tlaková změna, která již vyvolá v uchu sluchový vjem, je asi 10-5 Pa a nazývá se práh slyšení. Naopak nejvyšší tlaková změna, při které ještě nevzniká v uchu pocit bolesti, je asi 102 Pa, a nazývá se práh bolesti. K porovnávání zvuků, které vnímáme, se užívá fyzikální veličina hladina intenzity zvuku P L = 10 log P0 -12 kde P0 je výkon 10 W, tzv. práh slyšení). Její jednotkou je decibell (dB). Práh slyšení pro tón o frekvenci 1 kHz odpovídá 0 dB. Hladina intenzity zvuku se zvýší o 1 dB, když se intenzita zvuku zvýší asi o čtvrtinu. práh slyšení tikot náramkových hodinek u ucha šepot hlasitý hovor na 1 m pouliční hluk při silném provozu motocykl sbíječka a velmi silná hudba práh bolesti

0 dB 10 dB 30 dB 50 dB 80 dB 90 dB 100 dB 130 dB

Několik zdrojů se stejnou intenzitou zvuku zvýší hladinu zvuku jen málo, např. dva motocykly z 90 dB na 93 dB a osm motocyklů na 99 dB, kdežto deset na 100 dB. Z tohoto důvodu se hlučné provozy soustřeďují na jedno místo.

Hlasitost Přicházejí-li k našemu uchu dva tóny o stejné akustické intenzitě, ale s různou frekvencí, nevnímáme je jako stejně hlasité, ačkoliv i akustický tlak je v obou případech stejný. Tento rozdíl v subjektivním vnímání hlasitosti tónů je způsoben nestejnou citlivostí sluchového orgánu k různým akustickým frekvencím. Přibližně tuto závislost vystihuje Weber-Fechnerův zákon: roste-li fyzikální intenzita tónu i dané frekvence geometricky, jeho subjektivní účinek se zvětšuje přibližně jen aritmeticky. Poměrně největší citlivost je v oblasti asi 3 kHz. Směrem k horní i dolní mezi slyšení citlivost sluchu klesá.

31

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění

Grafické znázornění závislosti hladiny intenzity zvuku a akustického tlaku pro různé frekvence je na obrázku. Oblast zvuků ohraničená prahem slyšení a prahem bolesti je sluchové pole. Frekvenční a intenzivní oblast řeči a tónu tvoří jen část celkového sluchového pole.

INFRAZVUK, ULTRAZVUK Člověk vnímá sluchem zvukové vlnění o frekvenci přibližně od 16 Hz do 16 000 Hz. Některá zvířata vnímají zvuky až do 100 000 Hz. Nejvyšší tón o frekvenci 60 GHz byl vytvořen laserovým paprskem zaměřeným na safírový krystal v Massachussets Ins. v září 1964. Nejnižší zvuk vydaný píšťalou vytvořil Lavaser. Jeho píšťala vydávala tón zhruba 8 Hz, byl to poslední zvuk, který slyšel.

Infrazvuk Vlnění o nižší frekvenci než 16 Hz lidské ucho nevnímá a nazýváme ho infrazvuk. Do infrazvuku řadíme především: − otřesy a záchvěvy půdy. − těžké dopravní prostředky vyvolávají kmity budov a půdy v rozmezí frekvencí 1 – 10 Hz − zemětřesení způsobuje kmity o frekvenci nižší než 1 Hz. Vzhledem k tomu, že frekvence vlastních kmitů budov a jejich částí leží často v oblasti frekvence infrazvukových vln, mohou tyto kmity vyvolat nebezpečné rezonanční jevy. K registraci infrazvukových vln se dají využít seismografy (přístroje na měření seismických vln vznikajících při zemětřeseních.) Sloni používají infrazvuk k vzájemnému dorozumívání. Mohou se tak slyšet až na vzdálenosti několika kilometrů. Infrazvuk může nepříznivě působit na člověka. Frekvence 7 Hz odpovídá frekvenci alfa rytmů mozkových, které odpovídají stavu dušeního klidu a pohody. Je-li člověk vystaven frekvencím blízkým, pak se nemůže uvést do klidu a soustředit se. Dokonce se uvažovalo o použití infrazvuku jako biologické zbraně. Nevýhodou však je, že působí i na obsluhu zdroje zvuku.

32

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění Jak se bránit infrazvuku? Je to velmi obtížné, protože jeho útlum v různých materiálech je nepatrný, nedochází téměř k žádné absorpci. Jedinou možností je ho akusticky zamazkovat, tj. překrýt jiným slyšitelným zvukem.

Ultrazvuk Mechanické vlnění o frekvenci vyšší než 16 kHz lidské ucho rovněž nevnímá. Nazýváme ho ultrazvuk. Ultrazvuk se vytváří pomocí křemenné destičky napojené na proměnné elektrické napětí. Destička se v rytmu napětí smršťuje a roztahuje a tak kmitá. Tento jev se nazývá piezoelektrický. Krystaly křemene jsou však jako zdroj ultrazvuku drahé a málo výkonné; používá se jich obvykle v laboratořích. V technické praxi se osvědčily syntetické látky, například keramický titaničitan barnatý. Ačkoli ultrazvuky neslyšíme, přece jen jejich účinek můžeme velmi dobře pozorovat. Ponoříme-li například kmitající destičku do nádoby s olejem, vytvoří se na hladině kapaliny vypuklina vysoká 10 cm a olejové kapky vystřikují až do výšky 40 cm. Když do takové olejové lázně ponoříme konec skleněné trubice dlouhé asi 1 m a druhý konec držíme v ruce, ucítíme, že se trubice silně rozpálila a ožehla nám kůži. Konec takové rozkmitané trubice propálí dokonce otvor do dřeva; energie ultrazvuku se tu mění v teplo. Ultrazvukové kmity mají velmi silný účinek na živý organismus: trhají vlákna vodních řas, drtí živočišné buňky, rozrušují krvinky; malé ryby a žáby usmrtí ultrazvuk za 1 až 2 minuty. Tělesná teplota pokusných zvířat vystavených ultrazvuku se zvyšuje, u myší například na 45 °C. Ultrazvuková pípnutí slouží netopýrům a delfínům k vyhledávání kořisti. Prozradí ji ozvěna, kterou zachytí citlivé sluchové ústrojí – jakýsi zvukový radar. Čínská žába Amolops tormotus žije u bouřlivě tekoucích bystřin a ozývá se „ptačím zpěvem“. Při analýzách vědci zjistili, že žabí „zpěv“ obsahuje značnou porci ultrazvuku. To je celkem překvapivé, protože většina obojživelníků, plazů a ptáků není s to zachytit zvuky s frekvencí nad 12 kHz. Netopýři Netopýři mají špatný zrak, přesto se velmi dobře orientují a za letu bezpečně loví drobný hmyz. Dlouho se spekulovalo o tom, který smysl netopýři používají. Vzhledem k velkým uším se předpokládalo, že je to velmi citlivý sluch. Nicméně se dlouho nevědělo, jak se netopýr orientuje ve tmě, jak zjistí polohu překážek, které žádný zvuk nevydávají. Tyto pozoruhodné netopýří vlastnosti poprvé zkoumal italský vědec Spallanzani v roce 1793. Své výzkumy prováděl tak, že postupně odstranil jednotlivé smysly netopýra. Nejprve zbavil netopýra zraku. K svému podivení zjistil, že i slepý netopýr se orientuje stejně dobře, jako kdyby viděl. Další na řadu přišel čich. Zacpal tedy netopýru nosní otvory. Opět se netopýr bezpečně orientoval a nalézal kořist. Stejný výsledek získal, když netopýra zbavil chuti. Zbýval pouze hmat a sluch. Aby zbavil netopýra hmatu pokryl celé jeho tělo lakem. Avšak ani toto nemělo vliv na jeho schopnost orientace za letu. Zbýval tedy sluch. Stačilo netopýrovi zacpat ušní otvory, aby úplně ztratil schopnost orientace a při letu bezmocně narážel na různé překážky. Tento výzkum nedal odpověď na otázku, pomocí čeho se netopýři orientují ve tmě. Teprve roku 1920 však poznal Hartring, že netopýr používá ultrazvuk. Netopýři vysílají nosem ultrazvukové signály o kmitočtu 30 až 120 kHz. Před startem vysílá netopýr takových signálů pět až dest za vteřinu, v letu však desetkrát více, každý trvající asi jednu setinu vteřiny. To, že ultrazvuk člověk neslyší, zdaleka neznamená, že ho nedokáže využít. Ultrazvukovými vlnami, které se díky své krátké vlnové délce málo ohýbají se dá zkoumat např. mořské dno, poloha ledovce, tah ryb apod. Ultrazvuková defektoskopie využívá ultrazvuk k vyhledávání skrytých vad materiálu. Je založena na odrazu ultrazvukových vln na rozhraní dvou prostředí (pevné těleso –

33

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění vzduch). Je-li v materiálu nějaká vada (dutina, trhlina), ultrazvuková vlna se na ní odrazí a je zachycena zpět přijímačem. Ze vzdálenosti záznamů vyslaného a odraženého impulsu lze určit hloubku vady pod povrchem. Intenzita ultrazvukových vln je podstatně větší než intenzita slyšitelného zvuku. Při průchodu ultrazvukové vlny prostředím nastává tlaková změna větší než 105 Pa. Ultrazvukem lze tedy přenášet značnou energii a udělovat tak částicím prostředí značné zrychlení. Ultrazvuk se proto může používat na: − drobení látek (výroba suspenze z mědi a kapaliny, nebo olova a kapaliny) − shlukování drobný částeček (např. částečky obsažené ve vzduchu a v plynech, částice prachu a kouře, ve větší celky, které pak klesají k zemi) − tvorbu emulzí (např. oleje a vody), − k urychlování chemických reakcí, − při výrobě jemné fotografické emulze, − ke zrychlení procesů založených na difúzi kapaliny pórovitou látkou (barvení látek, vydělávání kůží). − ultrazvuk také odstranil potíže při pájení některých kovů, např. hliníku. Zbavuje totiž hliník povrchové vrstvy oxidu hlinitého, a tím umožňuje dokonalý kontakt kovu s pájkou. − v lékařství při diagnostice (řádově MHz). − kavitace: v kapalinách se vlivem ultrazvuku tvoří drobné dutiny, které mohou porušit povrch kovových předmětů ponořených v kapalině. První použití ultrazvuku Za první světové války působily německé ponorky francouzské námořní flotile velké ztráty. Každá loď, která vyplula z anglického nebo francouzského přístavu, vydávala se v nebezpečí, že bude potopena. Pokusy o boj s ponorkami byly neúspěšné. Francouzský fyzik Langevin zkonstruoval přístroj na hledání ponorek. V tomto přístroji, nazvaném ultrazvukový lokátor, zdroj ultrazvukových kmitů vysílal do zvoleného směru pod vodou úzký ultrazvukový paprsek. Ultrazvuk se šířil přímočaře rychlostí jeden a půl kilometru za vteřinu a měl-li volnou dráhu, ztratil se v prostorách oceánu. Vyskytl-li se na dráze paprsku nějaký předmět, který se svou hustotou lišil od hustoty vody, ultrazvukové vlny se odrazily od tohoto předmětu a vrátily se zpět ke zdroji. Zdroj ultrazvuku se po vyslání ultrazvukové vlny přepojil na přístroj, který naslouchal, zda se jím vyslaná vlna nevrací zpět a nenese zprávu o ponorce. Jestliže se do 20 sekund nevrátila ozvěna vyslaného signálu, bylo jisto, že do vzdálenosti 15 kilometrů není žádná ponorka.

ZÁKLADY FYZIOLOGICKÉ AKUSTIKY Lidský hlas se tvoří v hrtanu mezi dvěma hlasovými vazy – hlasivkami. Mezi hlasovými vazy je úzká hlasová štěrbina, kterou prochází vzduch. Proudem vzduchu z plic se okraje hlasivek rozechvívají a vzniklé tóny se zesílí rezonancí dutiny ústní, hrudní a nosohltanové. V kratších hlasivkách (12 mm) u žen a dětí se tvoří základní tón vyšší, v delších hlasivkách (18 mm) u mužů tón nižší.

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění Ucho – je složeno z ucha vnějšího, středního a vnitřního. K vnějšímu uchu patří boltec, který zachycuje zvukové vlny, a zvukovod. Zvukovodem se vede zvuk na pružnou blanku – bubínek (pružná asi 0,1mm silná a 1cm velká blána). Úkolem středního ucha (čtyři pružné kůstky) je snižovat amplitudu výchylky akustických kmitů a převádět je k systému vnitřního ucha. Ve vnitřním uchu, které je vyplněno kapalinou, je vlastní sluchový orgán, tzv. Cortiho ústrojí, které obsahuje sluchové buňky. Dopadne-li na bubínek zvuková vlna zachycená boltcem, přenese se energie zvukového vlnění kůstkami středního ucha na tekutinu ve vnitřním uchu. Zde vznikne stojaté vlnění, kterým se rezonancí rozkmitávají jemná vlákna sluchového nervu uložená na Cortiho ústrojí. Nejvíce se rozkmitá to vlákno, jehož vlastní frekvence je stejná jako frekvence dopadajícího vlnění. Sluchový vjem se přenáší pomocí elektrických impulsů do nervové soustavy.

Zkuste tento pokus: vezměte pevně do zubů kapesní hodinky (klasické mechanické) a prsty si dobře zacpěte uši; místo tikotu hodinek uslyšíte těžké údery. Právě tak i hluší, kterým zůstalo zdravé vnitřní ucho, mohou tancovat podle hudby, neboť zvuky přicházejí k jejich sluchovému nervu podlahou a kostmi. A stejně tak proto ostatní slyší náš vlastní hlas jinak než my.

ZÁKLADY HUDEBNÍ AKUSTIKY V hudbě používáme jen určité tóny, jejichž relativní výšky jsou dány určitými čísly. Relativní výšku neboli poměr dvou absolutních výšek vnímá ucho jako hudební interval. Základním intervalem je oktáva. Je to interval mezi dvěma tóny, jejichž poměr frekvencí je 2:1. Říkáme, že vyšší tón o relativní výšce 2 je oktávou k základnímu tónu nebo že zní hudební interval oktávy. Interval oktávy tvoří každé dva tóny libovolných výšek, např. tóny 3 kHz a 6 kHz, pokud je poměr jejich frekvencí 2:1. Přehled hudebních intervalů je uveden v tabulce: Interval oktáva kvinta kvarta velká tercie malá tercie velký celý tón

Poměr frekvence 2:1 3:2 4:3 5:4 6:5 9:8

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění malý celý tón velký půltón malý půltón

10 : 9 16 : 15 25 : 24

Intervaly až po malou tercii považujeme za konsonantní (libozvučné), další intervaly jsou disonantní (nelibozvučné). Platí, že souzvuk je tím libozvučnější, čím menšími celými čísly je dána poměr frekvencí. V průběhu staletí se značně měnily názory na to, které souzvuky jsou konsonantní a které disonantní. Ve starověké hudbě byly označovány za dokonale konsonantní dvojzvuky pouze oktávy a kvinty. Teprve od konce 15. století byly obecně uznány za konsonantní i intervaly velké a malé tercie. Soubor tónů s definovanými intervaly (vzhledem k základnímu) tónu určuje hudební stupnici. Jednou z takových tónových řad je diatonická stupnice dur (tvrdá). Stupnice dur obsahuje v rozmezí oktávy 8 tónů: prima, sekunda, velká tercie, kvarta, kvinta, velká sexta, velká septima, 9 5 4 oktáva. Tyto tóny se označují písmeny c, d, e, f, g, a, h, c1. Jejich relativní výšky jsou 1, , , , 8 4 3 3 5 15 , , , 2. 2 3 8 Tóny užívané v hudbě jsou v rozsahu od 16 Hz do 4 000 Hz. Jsou rozloženy do osmi po sobě jdoucích oktávových intervalů (oktáv). Zahrajeme-li po sobě dva sousední tóny stupnice, vnímá sluch jejich interval stejně, ať zní v kterékoliv oktávě.

ŠKODLIVÉ ÚČINKY ZVUKU Opravdové ticho je vzácné, za ticho považujeme nízkou hladinu hluku. Dlouhý pohyb v úplném tichu působí depresivně. Delší pobyt v prostředí s hladinou zvuku nad 70 dB je zdraví škodlivý. Hluk působí především na nervovou soustavu, zvyšuje únavu a zpomaluje reakce. U některých lidí vyvolává bolesti hlavy, popř. nevolnost, poruchy biochemických reakcí apod. Při hladině zvuku nad 80 dB je již ohrožen sluch. Dlouhodobý pobyt v hlučném prostředí snižuje schopnost vnímat slabé zvuky a člověk se postupně stává nedoslýchavým. Z toho důvodu jsou pro pobyt v hlučném prostředí předepsány chrániče sluchu. Hluk se v provozech snižuje mazáním třecích ploch, antivibračními nátěry, které brání kmitání plechů, správnou tolerancí pohyblivých součástek strojů apod. Dále pak zvukovou izolací a soustředěním hlučných pracovišť do místností s různými úpravami, které snižují hlučnost prostředí.

DOPPLERŮV JEV Pokud jste někdy byli diváky automobilových nebo motocyklových závodů, mohli jste si všimnout, že před tím, než kolem vás projede závodní stroj, vnímáte sluchem vyšší frekvenci zvuku motoru, a ta při průjezdu kolem vás prudce poklesne. Popsaný jev nastává vždy při vzájemném pohybu zdroje zvuku a pozorovatele a je tím výraznější, čím rychleji se zdroj zvuku vzhledem k pozorovateli

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění pohybuje. Pozorovatel pak vnímá zvuk jiné frekvence, než je frekvence kmitání zdroje. Podstatu tohoto tzv. Dopplerova jevu objasnil v polovině 19. století Ch. J. Doppler. Nejdůležitější jsou následující případy Dopplerova jevu: 1. Zdroj zvuku Z je v klidu a přijímač zvuku (P1, popř. P2) se pohybuje po vzájemné spojnici konstantní rychlostí u, která je menší než rychlost zvuku v. Zdroj Z vysílá zvukové vlnění o vlnové délce λ = v / f (f je frekvence zdroje vlnění), které je na obrázku znázorněno soustavou soustředných vlnoploch. Jestliže jsou přijímače zvukového vlnění P1 a P2 v klidu, dospěje k nim za jednotku času stejný počet vlnoploch a přijímače registrují zvukové vlnění stejné frekvence f = v / λ . Jestliže se přijímač P1 rychlostí u ke zdroji zvuku přibližuje, dospěje k němu za jednotku času větší počet vlnoploch a přijímač registruje vyšší frekvenci zvuku. v+ u v+ u u  f1 = = f = 1+  f λ v v  Pro názornou představu: při přibližování ke zdroji při rychlosti asi 70 km/h vzroste frekvence zhruba o 6 %. Přijímač P2, který se od zdroje zvuku rychlostí u vzdaluje, zachytí méně zvukových vln a registruje nižší frekvenci zvuku: v− u v− u u  = f2 = f =  1−  f λ v v  Kdybychom se vzdalovali rychlostí zvuku, pak bychom žádný zvuk neslyšeli, protože z předchozího vzorce by frekvence byla nulová. Jestliže bychom se vzdalovali rychlostí větší než rychlost zvuku, pak bychom slyšeli zvyšující se frekvence.

2. Přijímač zvuku je v klidu a zdroj zvuku se pohybuje rychlostí w od přijímače P1 k přijímači P2. Zdroj zvuku se od přijímače P1 vzdaluje a to se projevuje jako zvětšení vlnové délky zvukového vlnění (zvětšuje se vzdálenost mezi jednotlivými vlnoplochami). Vlnová délka λ 1 = ( v + w ) / f a přijímač P1 registruje frekvenci

v v w  f1 = = f =  1+  λ1 v+ w v 

−1

f

která je nižší než frekvence zdroje. Naopak v místě přijímače P2 je vlnová délka zvukového vlnění kratší λ 1 = ( v − w) / f a přijímač P2 registruje frekvenci

v v w  f1 = = f =  1−  λ1 v− w v  která je vyšší než frekvence zdroje.

−1

f

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění Dopplerův jev vzniká i u elektromagnetického vlnění a je na něm například založeno měření rychlosti automobilů pomocí radaru. Radar pracuje tak, že vysílá elektromagnetické vlnění určité frekvence směrem k vozidlu a od vozidla přijímá odražené vlnění, jehož frekvence se vlivem Dopplerova jevu poněkud liší. Skládáním vyslaného a přijatého signálu vznikají rázy o slyšitelné frekvenci, která je přímo úměrná rychlosti vozidla. Měření rychlosti se tak převádí na měření frekvence.

Rázová vlna Zvláštní pozornost si zasluhuje případ, kdy se rychlost pohybu zdroje zvuku w přiblíží k rychlosti zvuku v, popř. ji i překročí. Snadno dospějeme k závěru, že pro pozorovatele P2 v případě, že w = v je λ 2 = 0 a pojem zvuková vlna ztrácí smysl. Tato situace není jen teoretickým modelem zvláštního případu Dopplerova jevu, ale je reálnou skutečností např. u letadel nebo střel, které se pohybují nadzvukovou rychlostí. V letectví se při popisu rychlosti používá jednotka Machovo číslo, která nese jméno podle fyzika Ernsta Macha (1838 – 1916). Udává poměr rychlosti letu k rychlosti zvuku. Blíží-li se rychlost proudění tekutiny při obtékání rychlosti šíření zvuku v daném prostředí, začíná se tekutina stlačovat, hromadí se před tělesem a její hustota se značně zvětšuje. Odpor prostředí za této situace prudce roste, neboť lokální „zhuštění“ tekutiny před tělesem se nestačí přenést do okolí. Před tělesem se tak vytváří tzv. tlaková (zvuková) bariéra, tlačená tělesem dopředu. Při překonávání tlakové bariéry dochází k vyrovnání velmi rozdílných tlaků před a za tělesem, provázenému zvukovými efekty značné intenzity – z místa tohoto neobyčejně intenzivního rozruchu se šíří tzv. rázová vlna, která tvoří obal vlnoploch na obrázku.

Při překonávání tlakové bariéry je těleso vystaveno extrémnímu silovému působení. Když rázová vlna dosáhne k zemskému povrchu, vnímáme ji sluchem jako silnou ránu podobající se výstřelu. Tento zvuk označujeme jako akustický třesk. Vznik akustického třesku je jedním z důvodů, proč se letadla mohou pohybovat nadzvukovou rychlostí jen ve velkých výškách. Při konstrukci tělesa, které by se mělo pohybovat nadzvukovou rychlostí je třeba dbát na jeho tvar protože: o zaoblený tvar tělesa snižuje turbulenci, která vzniká odporem vzduchu. Je vhodný pro tělesa pohybující se podzvukovou rychlostí, protože rázová vlna má také zaoblený tvar a je podstatně dál o špičky tělesa. o špičatý tvar tělesa zvyšuje turbulenci. Naopak rázová vlna se dotýká špičky a působí proto menším odporem při jejím překonání. Je vhodný pro tělesa pohybující se nadzvukovou rychlostí.

Mgr. Magda Vlachová – MFWEB: Mechanické kmitání a vlnění Velkým problémem pro nadzvuková letadla je velké zahřívání špičky při nadzvukových rychlostech. Teplota roste přibližně se čtvercem rychlosti. Při podzvukových rychlostech může být pouhých 60 oC, ale při nadzvukových rychlostech může být 240 oC, při trojnásobné rychlosti zvuku až 820 oC. Při rychlostech nad 10 km/s už se každé těleso vypaří (meteor).

LITERATURA [1].Bednařík M., Kunzová V., Svoboda E.: Fyzika II., SPN Praha 1984 [2].Lepil O., Bednařík M., Hýblová R.: Fyzika II., Prometheus Praha 2001 [3].Štoll I.: Fyzika, Prometheus Praha 2001 [4].Řešátko M.: Fyzika pro SOU, SPN Praha 1984 [5].Landau L.D.: Fyzika pro každého, Horizont Praha 1975 [6].Macháček M.: Fyzika pro základní školy a víceletá gymnázia 7 - 9, Prometheus Praha 2002 [7].Kolesnikov V.: Mechanika, Olomouc 1988 [8].Lepil O.: Mechanické kmitání a vlnění, Prometheus Praha 2001 [9].Maršák J.: Fyzika v sešitě, Fortuna Praha 1991 [10].Kudrjavcev B. B.: Neslyšitelné zvuky, Naše vojsko 1953 [11].přednáška doc. Ing. Karla Malinského, Csc: Zvuky, které neslyšíme [12].Mašek B.: Fysika pro vyšší třídy středních škol, Prometheus Praha 1947