Колебания и волны

Автор: , 01 Июл 2019

krugi-na-vode

Из второй статьи вам уже известно про электромагнитные волны и изобретение радио. В этой, третьей обучающей статье мы рассмотрим колебания и волны, их основные параметры и узнаем как возникает звук, как происходит радиопередача сигналов.

Вокруг нас постоянно возникают колебания, это вода, ветки, провода, маятники и т.п.Что происходит, если бросить камень в воду? В месте, где камень соприкоснулся с водой, вода сначала вдавливается и вытесняет соседние молекулы воды, затем вода снова поднимается вверх и появляется первый круг, молекулы воды продолжают перемещаться вверх и вниз, «затягивая» в колебания всё больше и больше молекул. В результате возникают волны, расходящиеся от места падения камня кругами.

Но при этом вода не двигается, она только колеблется. Можно провести опыт — кинуть спичку на круги и если нет течения или ветра, то спичка останется на месте и будет просто колебаться вместе с волнами. Величина, или правильнее, амплитуда колебаний будет зависеть от размера брошенного камня, то есть от величины энергии.

Также волны могут быть редкими или частыми, эта величина называется длина волны, это расстояние между соседними впадинами (или гребнями) волн. Что интересно — по мере удаления от источника волн, будь то брошенный камень или ритмичные капли, падающие на воду, уменьшается амплитуда (размах) волн, а длина волн останется постоянной.

Звуковые колебания

В окружающем нас мире много высокочастотных (с короткой длиной волны) колебаний, которые мы не видим, но воспринимаем в качестве звука. Например, звон бокала, колебания струн, вой ветра в трубе… Как они возникают в воздухе? Да в общем-то также, как и в воде. Звук — это колебания частиц воздуха. Тот же бокал или струна колеблются и создают в воздухе области повышенного и пониженного давления, это и будет создавать звуковую волну.

Скорость звука (скорость распространения волн) в воздухе около 340 метров в секунду. А скорость звука в воде в несколько раз больше — около 1500 м/с. Поэтому при небольших расстояниях мы слышим звук практически мгновенно. А при грозе, если она далеко, мы сначала видим вспышку молнии, а только потом слышим звук грома. Кстати, посчитав сколько секунд прошло от вспышки до молнии, можно высчитать как далеко находится гроза (скоростью света можно пренебречь, т.к. она около 300 миллионов м/с).

В ухе есть барабанная перепонка, которая колеблется в такт звуковым колебаниям воздуха. Сигналы об этих колебаниях передаются в мозг слуховым нервом, таким образом мы слышим звуки.

Частота и период колебаний

Волны бывают не только механические (круги воды) или звуковые, но и электромагнитные, электрические и др. Любая волна характеризуется её длиной, частотой и периодом колебаний.

dlina-volny

Длина волны:   λ = 300/f ,   где

λ — длина волны в метрах; f — частота в мегагерцах.

Периодом называют время, за которое совершается одно полное колебание. Период измеряется в секундах. Частота колебаний- это число, показывающее сколько полных колебаний совершается за одну секунду. Частота измеряется в герцах (Гц). Например, частота колебаний тока в современной бытовой электросети 50 Гц.

Диапазон звуковых частот, воспринимаемый ухом человека, как принято считать, от 20 Гц до 20000 Гц (20000Гц=20кГц — килогерц). Диапазон воспринимаемых частот с возрастом, как правило, сужается, а у молодых может быть и шире указанного.

Частоты ниже 20Гц называют инфразвуковыми, частоты выше 20 кГц называют ультразвуковыми. Также выделяют диапазоны высокой частоты (ВЧ) — 100 кГц — 30 МГц и сверхвысокой частоты (СВЧ) — от 30 МГц и выше.

В радиотехнике, для передачи сигналов на расстояние, используются частоты намного выше звуковых от 100 кГц до тысяч МГц — мегагерц (1 МГц = 1000 кГц).

Радиоволны

Радиоволны это электромагнитные колебания, излучаемые антенной, с радиочастотой (от 100 кГц). Скорость электромагнитных волн равна скорости света, поэтому сигналы передаются практически мгновенно.

Как же передаются колебания звуковой частоты? Дело в том, что каждая радиостанция имеет свою частоту, которая называется несущей. Этой несущей частотой и модулируются звуковые колебания, т.е. амплитуда высокочастотного сигнала изменяется со звуковой частотой (амплитудная модуляция). Потом колебания усиливаются и передаются на антенну. Есть ещё и частотная модуляция — когда изменяется частота несущей, а амплитуда остаётся постоянной, такую модуляцию используют в телевидении и радиовещании на верхних диапазонах (УКВ или FM).

Радиоволны, попадая на антенну радиоприёмника, возбуждают в ней модулированные колебания, которые преобразуются радиоприёмником обратно в колебания звуковой частоты. Для того, чтобы передачи разных радиостанций не смешивались в приёмнике существует специальный колебательный контур, частота которого настраивается на несущую частоту нужной радиостанции.

Радиоволны распространяются по разному в зависимости от частоты волны. Это обусловлено строением атмосферы и тем, что земля круглая. Не вдаваясь в подробности, скажу, что длинные волны (30 — 300 кГц)  хорошо огибают поверхность Земли и распространяются на большее расстояние, чем короткие (5,9-26,1 МГц), при той же мощности передатчика, но короткие волны могут отражаться от ионосферы и возвращаться на Землю даже на противоположной её стороне от передатчика. А ультракороткие волны (62—108 МГц) «пробивают» атмосферу насквозь, поэтому их используют для связи с космическими кораблями и со спутниками.

 

Комментарии

Ваш комментарий

Обратите внимание: Комментарии модерируются, и это может вызвать задержку их публикации. Отправлять комментарий заново не требуется.


snowflake snowflake snowflake snowflake snowflake snowflake snowflake snowflake snowflake snowflake snowflake snowflake