Стоячие волны

Исследование собственных колебаний струны методом резонанса

Две когерентные и одинаковые по интенсивности волны, распространяющиеся навстречу друг другу, при определенных условиях могут создавать особого вида интерференционную картину, получившую название стоячих волн.

Интерференция – сложение в пространстве двух (или нескольких)волн, при котором в разных точках пространства происходит усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Интерференция возможна только для когерентных волн.

Когерентность – согласованное во времени и пространстве протекание колебательных или волновых процессов.

Стоячая волна представляет собой периодическое колебание с характерным пространственным распределением амплитуды – чередованием пучностей (максимумов амплитуды)и узлов (нулей амплитуды). Такая картина может возникать всякий раз, когда волна падает на хорошо отражающую преграду. Когерентность обеспечивается тем, что обе волны представляют собой раннюю и позднюю части одной и той же волны. Стоячие волны могут устанавливаться только при отсутствии затухания в среде и при полном отражении от границ.

Найдем уравнение стоячей волны, а также координаты ее узлов и пучностей. Пусть стоячая волна возникла при наложении двух встречных бегущих волн с одинаковыми скоростями , циклическими частотами и амплитудам Уравнения волны, распространяющейся вдоль положительного направления оси х, и волны, распространяющейся ей навстречу, имеют вид:

здесь и - смещения точки среды с координатой х в момент времени t, вызванные соответственно падающей и встречной волной.

Сложив уравнения и учитывая, что волновое число k связано с длиной волны : , получим уравнение стоячей волны:

. (1)

Из (1) видно, что в каждой точке стоячей волны происходят колебания с той же частотой , что и у встречных волн,
но с амплитудой , зависящей от координаты х рассматриваемой точки.

В пучностяхамплитуда стоячей волны максимальна и равна сумме амплитуд складываемых колебаний , поэтому координаты пучностей определим из условия:

. (2)

В узлах амплитуда стоячей волны равна нулю, и координаты узлов определим из условия:

(3)

То есть в стоячей волне некоторые точки среды (пучности) колеблются с максимальной амплитудой, а некоторые точки (узлы) остаются неподвижными в течение всего колебательного процесса; остальные точки среды совершают колебания с некоторыми промежуточными амплитудами.

Можно видеть, что расстояние между соседними пучностями, как и расстояние между соседними узлами, равно . Расстояние между соседними пучностью и узлом равно (рис.1).

Множитель в уравнении стоячей волны при переходе через узел меняет знак, поэтому между двумя соседними узлами все точки среды колеблются синфазно, при переходе же через узел фаза изменяется на , то есть колебания по разные стороны от узла (в пределах полуволны) происходят в противофазе (рис.1).

Будет ли на границе отражения узел или пучность, зависит от соотношения плотностей сред. Если среда, от которой происходит отражение, менее плотная, то в месте отражения возникает пучность (рис.1,а), если более плотная – узел (рис.1,б).

Отражаясь от более плотной среды, волна меняет свою фазу на противоположную и результат сложения этих колебаний дает узел (пример: в месте закрепления колеблющейся веревки получается узел). Этот факт принято называть «потерей полуволны».

Рис. 1. График стоячей волны. На рисунке: – амплитуда стоячей волны, - длина волны, х – направление распространения.

Отражаясь от менее плотной среды, волна не меняет фазы в месте отражения, поэтому потери полуволны не происходит; фазы падающей и отраженной волн одинаковы. В этом случае в результате сложения колебаний одинаковых фаз получается пучность (пример: свободный конец колеблющейся веревки образует пучность).

Как известно, бегущая волна в направлении ее движения переносит энергию колебательного движения. Стоячая волна энергию не переносит, поскольку падающая и отраженная волны, имея одинаковые амплитуды, несут одинаковую энергию, но в противоположных направлениях. Поэтому полная энергия результирующей стоячей волны, заключенной между узловыми точками, с течением времени остается неизменной. Только в пределах расстояний, равных половине длины волны, происходят взаимные превращения кинетической энергии в потенциальную и наоборот.

Колебания струны

В натянутой струне, закрепленной с обоих концов, при возбуждении произвольного поперечного возмущения может возникать стоячая волна. При этом на закрепленных концах струны должны выполняться определенные граничные условия: концы струны должны быть узлами стоячей волны. Это означает, что на длине струны укладывается целое число полуволн (рис. 2). Отсюда вытекает условие:

Этим длинам волн соответствуют частоты

где - фазовая скорость распространения бегущей волны в струне, которая может быть вычислена как

. (6)

Здесь - сила натяжения струны; - линейная плотность струны, то есть масса единицы длины струны, вычисляется через
объемную плотность струны по формуле: ;
- площадь поперечного сечения струны. Таким образом, фазовая скорость бегущей волны вычисляется по формуле

(7)

и выражение для частоты стоячей волны приобретает вид

. (8)

Частоты называются собственными частотами струны,
а соответствующие им гармонические колебания – собственными колебаниями, или гармониками. Частота называется основной частотой, а остальные частоты – обертонами.

Рис. 2. Распределение амплитуд отдельных точек струны при собственных колебаниях струны для различных значений .

В общем случае колебания струны представляют собой суперпозицию (наложение) различных гармоник. В струне можно возбудить колебания, соответствующие одной из собственных частот.
В этом случае мы будем иметь условие резонанса струны.

Приборы и принадлежности: вертикальная стойка со струной, электромагнитный вибратор, источник напряжения, разновесы.

В работе исследуются колебания натянутой медной струны (гибкой однородной нити). Схема экспериментальной установки представлена на рис. 3. Внешнее периодическое воздействие на струну 1 осуществляется в верхней ее точке, где конец струны прикреплен к якорю электромагнитного вибратора 2. Электромагнитный вибратор питается от сети переменным током частотой 50 Гц. К нижнему концу струны прикреплена чашка весов 4,
а сама струна пропущена через отверстие малого диаметра в пластинке 3, которая может перемещаться вверх-вниз вдоль стойки.

Если нагрузить чашку весов гирьками и включить в сеть электромагнитный вибратор, то якорь электромагнита начнет совершать колебания с частотой тока сети, и по струне будут распространяться поперечные волны, которые, отражаясь от пластинки 3, образуют встречные волны. При наложении прямой и обратной волны образуются стоячие волны, если выполняется условие:

Подбирая длину струны и степень ее натяжения, можно наблюдать образование стоячей волны в струне. Длину струны с установившейся стоячей волной изменяют перемещением вверх-вниз пластинки 3. Силу натяжения F струны изменяют, меняя гирьки в чашке весов 4 (рис. 3).

Рис. 3. Схема экспериментальной установки: 1 – струна, 2 – электро-магнитный вибратор, 3 – отражающая пластина, 4 - чашка весов.

Как видно из рисунка 3, в данной работе сила натяжения струны равна силе тяжести, действующей на чашку весов с грузом.
То есть в формуле (8) , где - масса чашки грузом; , - масса чашки, - масса груза.

Таким образом, окончательно расчетная формула для частоты стоячей волны приобретает вид

. (9)