הפיזיקה של הגלים מכסה מגוון מגוון של תופעות, החל מהגלים היומיומיים כמו מים, ועד לאור, קול ואפילו למטה ברמה התת אטומית, שם גלים מתארים את התנהגותם של חלקיקים כמו אלקטרונים. כל הגלים הללו מציגים מאפיינים דומים ובעלי אותם מאפייני מפתח המתארים את צורותיהם והתנהגותם.
אחד המאפיינים המעניינים ביותר של גל הוא היכולת ליצור "גל עומד". ללמוד על מושג זה במונחים המוכרים של גלי קול עוזר לך להבין את פעולתם של כלי נגינה רבים, כמו גם הנחת יסודות חשובים כאשר אתה לומד על מסלולי אלקטרונים בקוואנטים מֵכָנִיקָה.
גלי קול
צליל הוא גל אורכי, כלומר הגל משתנה באותו כיוון שהוא נע. עבור צליל, וריאציה זו באה בצורה של סדרת דחיסות (אזורים בעלי צפיפות מוגברת) ו- תופעות נדירות (אזורים עם ירידה בצפיפות) במדיום דרכו הוא עובר, כמו אוויר או מוצק לְהִתְנַגֵד.
העובדה שגל קול הוא אורכי פירושה שהדחיסות והריפרציות פוגעות בעור התוף בזו אחר זו, במקום ש"אורכי גל "מרובים פוגעים בו בעת ובעונה אחת. לעומת זאת, האור הוא גל רוחבי, ולכן צורת הגל היא בזווית ישרה לכיוון שהוא נע.
גלי קול נוצרים על ידי תנודות, בין אם אלה ממיתרי הקול שלך, המיתר הרוטט של א גיטרה (או חלקים מתנדנדים אחרים של כלי נגינה), מזלג כוונון או ערימת כלים שמתרסקים אל ה קוֹמָה. כל המקורות הללו יוצרים דחיסות וריגושים מקבילים באוויר הסובב אותם, וזה נע כצליל (תלוי בעוצמת גלי הלחץ).
תנודות אלה צריכות לעבור דרך סוג כלשהו של מדיום מכיוון שאחרת לא יהיה שום דבר שיוצר את אזורי הדחיסה והדלירות, ולכן הצליל נע רק במהירות סופית. מהירות הצליל באוויר (20 מעלות צלזיוס) היא סביב 344 מ 'לשנייה, אך למעשה היא עוברת ב קצב מהיר יותר בנוזלים ומוצקים, במהירות של 1,483 מ / ש במים (ב -20 צלזיוס) ו -4,512 מ / ש ב פְּלָדָה.
מהי תהודה?
לתנודות ולתנודות יש מה שאפשר לחשוב עליו כתדר טבעי, או תדר תהודה. במערכות מכניות, תהודה היא השם לחיזוק הצליל או רעידות אחרות המתרחשות כאשר מפעילים כוח תקופתי בתדר התהודה של האובייקט.
בעיקרו של דבר, על ידי הפעלת הכוח בזמן עם התדר הטבעי בו עצם רוטט או מתנדנד, אתה יכול הגבר או האריך את התנועה - חשוב על לדחוף ילד בתנופה ולתזמן את הדחיפות שלך עם התנועה הקיימת של נַדְנֵדָה.
תדרי תהודה לצליל הם בעצם זהים. הדגמה קלאסית עם מזלגות כוונון מראה את הרעיון בצורה ברורה: שתי מזלגות כוונון זהים מחוברות לקופסאות קול (שבעצם מגבירות את הצליל באותו אופן שתיבת הסאונד של גיטרה אקוסטית עושה עבור התנודה של מיתרי הגיטרה), ואחד מהם מוכה בגומי מַקֶבֶת. זה מניע את האוויר סביבו רוטט, ואתה יכול לשמוע את המגרש המיוצר על ידי התדר הטבעי של המזלג.
אבל אם תפסיקו לרטוט במזלג שפגעתם בו, עדיין תשמעו את אותו הצליל, פשוט מגיע מהמזלג השני. מכיוון ששני המזלגות הם בעלי תדרים מהדהדים זהים, תנועת האוויר הנגרמת על ידי רטט האוויר הנגרם על ידי המזלג הראשון גרמה למעשה גם לשנייה לרטט.
תדר התהודה הספציפי לכל אובייקט נתון תלוי בתכונותיו - למשל, עבור מחרוזת, זה תלוי במתח, במסה ובאורך שלו.
גלי קול עומדים
א דפוס גל עומד זה כאשר גל מתנודד אבל לא נראה לנוע. זה נגרם למעשה על ידי חֲפִיפָה של שני גלים או יותר, הנעים לכיוונים שונים אך כל אחד מהם בעל אותו תדר.
מכיוון שהתדירות זהה, פסגות הגלים מסתדרות בצורה מושלמת, ויש בנייה הפרעה - במילים אחרות, שני הגלים מתווספים יחד ומייצרים הפרעה גדולה יותר ממה שהיה בכוחות עצמו. הפרעה קונסטרוקטיבית זו מתחלפת בהפרעה הרסנית - כאשר שני הגלים מבטלים זה את זה - כדי לייצר את דפוס הגל העומד.
אם נוצר צליל בתדר מסוים ליד צינור מלא באוויר, ניתן ליצור צינור גל עומד. זה מייצר תהודה, שמגבירה את הצליל שמפיק הגל המקורי. תופעה זו עומדת בבסיס פעולתם של כלי נגינה רבים.
גלי קול בצינור פתוח
עבור צינור פתוח (כלומר צינור עם קצוות פתוחים בכל צד), גל עומד יכול להיווצר אם אורך הגל של הצליל מאפשר להיות אנטינוד בשני קצותיו. א צוֹמֶת היא נקודה על גל עומד שבו לא מתרחשת תנועה, ולכן היא נשארת במצב מנוחה, ואילו אנטינודה היא נקודה בה יש הכי הרבה תנועה (ההפך מצומת).
בתבנית הגל העומד בתדירות הנמוכה ביותר יהיה אנטינודה בכל קצה פתוח של הצינור, עם צומת אחד באמצע. התדר שבו זה קורה נקרא התדר הבסיסי או ההרמוניה הראשונה.
אורך הגל המשויך לתדר בסיסי זה הוא 2_L_, כאשר האורך, ל, מתייחס לאורך הצינור. ניתן ליצור גלי עומד בתדרים גבוהים יותר מהתדר הבסיסי, וכל אחד מהם מוסיף צומת נוסף לתנועה. לדוגמא, ההרמוניה השנייה היא גל עומד עם שני צמתים, ההרמונית השלישית כוללת שלושה צמתים וכן הלאה.
איפה התדר הבסיסי f1, תדירות ה- ההרמוניה n_ ניתנת על ידי _fנ = nf1, ואורך הגל שלו הוא 2_L_ / נ, איפה ל מתייחס שוב לאורך הצינור.
גלי קול בצינור סגור
צינור סגור הוא אחד שבו קצה אחד פתוח והשני סגור, וכמו צינורות פתוחים, אלה יכולים ליצור גל עומד עם צליל בתדר מתאים. במקרה זה, יכול להיות גל עומד בכל פעם שאורך הגל מאפשר אנטינודה בקצה הפתוח של הצינור וצומת בקצה הסגור.
עבור צינור סגור, לתבנית הגל העומד בתדר הנמוך ביותר (התדר הבסיסי או ההרמוניה הראשונה) יהיה צומת אחד בלבד ואנטי-צומת אחד. לצינור סגור באורך ל, הגל העומד הבסיסי מופק כאשר אורך הגל הוא 4_L_.
שוב, יכולים להיות גלים עומדים המופקים בתדרים גבוהים יותר מהתדר הבסיסי, ואלה נקראים הרמוניות. עם זאת, רק הרמוניות מוזרות אפשריות עם צינור סגור, אך כל אחת מהן עדיין מייצרת מספר שווה של צמתים ואנטי-צמתים. תדירות ה- ההרמוניה n_th היא _fנ = nf1, איפה f1 הוא התדר הבסיסי ו נ יכול להיות רק מוזר. אורך הגל של ההרמוניה n_ היא 4_L / נ, שוב זוכר את זה נ חייב להיות מספר שלם מוזר.
יישומים של תהודה צינורית פתוחה וסגורה
היישומים הידועים ביותר של המושגים שלמדתם עליהם הם כלי נגינה, במיוחד כלי נשיפה מעץ כמו קלרינט, חליל וסקסופון. החליל הוא דוגמה לכלי צינור פתוח, ולכן הוא מייצר גלי עומד ותהודה כאשר יש אנטינוד בשני קצוותיו.
קלרינט וסקסופונים הם דוגמאות למכשירי צינור סגורים, המייצרים תהודה כשיש צומת בקצה הסגור (למרות שהוא לא סגור לחלוטין בגלל השופר, גלי קול עדיין משקפים כאילו הוא) ואנטינודה בשטח פתוח סוֹף.
כמובן שהחור על הכלים האמיתיים מסבך את העניינים מעט. עם זאת, כדי לפשט מעט את המצב, ניתן לחשב את "האורך היעיל" של הצינור בהתבסס על מיקום החור הפתוח הראשון או המפתח. לבסוף, הרטט הראשוני שמוביל לתהודה מיוצר על ידי קנה רוטט או על ידי שפתיו של המוסיקאי כנגד השופר.