Věda a technika v pozadí Vlnostroj

Celkový přehled Veřejnost MŠ 1. stupeň ZŠ 2. stupeň ZŠ SŠ VŠ

Jak exponát vypadá

Jak exponát vypadá:

Autor textu

Autor textu:

Mgr. Magda Králová

Exponát má na starosti

Exponát má na starosti:

Mgr. Kristýna Nová

O čem je tento exponát

O čem je tento exponát:

Vlnostrojem můžete vytvořit vlny jednoduše tak, že budete hýbat páčkou v jeho dolní části. Je tedy zcela na vás, jak dlouhé vlny vytvoříte. Pomocí tlačítek pak volíte, zda se může otáčet i horní příčka vlnostroje, nebo zda bude setrvávat pevně na místě. Je to podobné, jako když šviháte provazem a jeho konec máte buď někde přivázaný, nebo ho naopak necháte ležet volně na zemi. Podle toho, jak rychle točíte páčkou vlnostroje a jaké tlačítko zmáčknete, pak pozorujete různé efekty. Vlny se totiž vrací odshora zpátky dolů.

Vlnostroj s délkou přes deset metrů je jeden z největších exponátů v Techmanii. Je příkladem torzního vlnostroje (Juliusův vlnostroj). Tvoří ho lanko, na kterém jsou připevněny ve stejných vzdálenostech příčky.

Teorie

Příčky jsou k lanku připevněny ve svém středu a všechny mají stejnou délku. Zkroucení lanka se projeví pootočením příček, zkroucení drátu se šíří nahoru a způsobuje postupné natáčení vyšších a vyšších příček. Vlnostrojem se šíří postupné vlnění. Obecně se vlněním přenáší pouze energie, částice kmitají, ale nepřemísťují se, kmitají kolem své rovnovážné polohy. Při postupném vlnění se pohybují všechny částice prostředí. Každá z nich dosahuje postupně amplitudy výchylky a pak je zase v určitém okamžiku v klidu.

Vznik postupného příčného a podélného vlnění.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Směr kmitání jednotlivých částic je kolmý na směr šíření vlnění, tento druh vlnění se označuje jako postupné příčné – transversální. Je charakteristické tím, že se prostředím šíří vrh a důl vlny. Jestliže částice budou kmitat ve směru šíření, vznikne vlnění postupné podélné – longitudinální. Podélné vlnění charakterizuje zhuštění a zředění 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 (šíření zvuku ve vzduchu).

Mechanické vlnění se šíří jen pružným prostředím a jeho rychlost závisí na druhu prostředí. Dráhu, kterou vlnění proběhne za jednu periodu, nazveme vlnová délka. Vlnová délka je obecně vzdálenost kterýchkoli dvou nejbližších bodů, které kmitají se stejnou fází. Body ve vzdálenosti poloviny vlnové délky kmitají s opačnou fází. Pro vlnovou délku platí obdoba vztahu pro dráhu rovnoměrného přímočarého pohybu s = vt.

kde f je frekvence vlnění, což je frekvence kmitání jak počátečního bodu řady, tak všech ostatních bodů řady, k nimž kmitavý rozruch dospěje, l vlnová délka a v rychlost šíření vlnění.

Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Pokud je nejvyšší příčka vlnostroje volná, dochází k odrazu vlnění se stejnou fází, tzn. že příčky mají tendenci točit se zpět stejným směrem. Pokud je nejvyšší příčka napevno odráží se vlnění s opačnou fází. Vlna postupující nahoru točí příčkami v opačném směru než vlna postupující dolů. Pokud se pákou pohybuje stále, vlnění přicházející nahoru se odráží a potkává se s přicházející vlnou. Při určitých frekvencích, závislých na rychlosti pohybu páky, dojde k tomu, že se potkají dva vrcholy vlny a vznikne stojaté vlnění. Stojaté vlnění se projevuje tak, že má stále ve stejných místech uzly a v jiných místech kmitny (amplitudy). Uzly vzniknout tam, kde se potká údolí vyslané a odražené vlny nebo vrcholy vyslané a odražené vlny. Kmitny vzniknou tam, kde se potkají vrchol a důl. V uzlech se příčky téměř neotáčejí naopak v kmitnách se otáčí velmi intenzivně.

Zajímavost z akustiky:
Stojaté vlnění má velký význam pro vznik zvuku u různých nástrojů, ladiček, hlasivek, ale i jiných chvějících se těles, např. součástek strojů, motorů apod. U hudebních nástrojů se jako zdroje zvuku používají struny, tyče, desky, membrány, píšťaly. Kromě běžného způsobu rozkmitání struny, vznikají i tóny třecí, jestliže kolem struny proudí vzduch. Základní výzkum tohoto problému provedl na konci 19. století Čeněk Strouhal. Díky třecím tónům vzniká svištění, ﬁčení, hvízdání větru, jehož frekvence se mění podle rychlosti proudícího vzduchu. Stejné tóny vznikají při švihnutí bičem, při letu projektilů, v parní píšťale lokomotivy apod.