Mechanické vlnění

Mechanické vlnění je děj, při němž se kmitání částic šíří látkovým prostředím.^[1] Mechanické vlnění se šíří látkami všech skupenství pomocí sil působících mezi částicemi. Vzniká tak, že výchylka jedné částice z rovnovážné polohy vnější silou se přenese na částici sousední, pak na další a tak vlnění určitou rychlostí postupuje od svého zdroje v řadě bodů, v rovině, nebo v prostoru. Mechanickým vlněním je například zvukové vlnění nebo vlnění na vodní hladině.

Vyvolané vlnění

Postupné vlnění

Postupné vlnění je charakteristické postupnou rychlostí v. Postupné vlnění není spojeno s přenosem hmoty, ale přenáší se jím energie.^[2] Důkazem je fakt, že zvuk, jakožto mechanické vlnění, může při vysoké intenzitě poškodit ušní bubínek nebo rozbít sklenici.^[3]

Rychlost postupného vlnění v lze vypočítat jako: v = λ · f nebo v = λ / T^[2][4]

Rovnice postupné vlny má tvar: ${\displaystyle y=y_{m}\sin 2\pi \left({\frac {t}{T}}-{\frac {x}{\lambda }}\right)=y_{m}\sin \omega \left({t}-{\frac {x}{v}}\right)}$,^[5]

kde ${\displaystyle f}$ je frekvence vlnění, ${\displaystyle \lambda }$ vlnová délka, ${\displaystyle T}$ perioda, ${\displaystyle y}$ okamžitá výchylka, ${\displaystyle y_{m}}$ amplituda, ${\displaystyle t}$ čas, ${\displaystyle x}$ vzdálenost uvažovaného bodu od zdroje vlnění, ${\displaystyle {v}}$ rychlost postupné vlny, ${\displaystyle \omega }$ fázová (též úhlová) rychlost. Frekvenci, periodu a amplitudu přebírá mechanické vlnění od svého zdroje - kmitání.^[6]

Postupné příčné vlnění

Související informace naleznete také v článku Příčné vlnění.

Body látkového prostředí kmitají kolmo na směr šíření vlny. Příkladem postupného vlnění příčného je vlnění na vodní hladině po dopadu kamene. Vlnění se šíří od tohoto zdroje v kruhových rovinných vlnoplochách ve tvaru vrch – důl.

Postupné podélné vlnění

Související informace naleznete také v článku Podélné vlnění.

Body látkového prostředí kmitají podélně na směr šíření vlny. Dochází k postupnému zhušťování a zřeďování prostředí. Příkladem postupného vlnění podélného je zvuk.

Stojaté vlnění

Související informace naleznete také v článku Stojaté vlnění.

Stojaté příčné vlnění. Uzly jsou vyznačeny červeně.

Skládáním (interferencí) dvou proti sobě jdoucích postupných vlnění stejných parametrů vzniká stojaté vlnění, které je v řadě bodů (představovaných například napjatou strunou) charakterizováno body se stále stejnou výchylkou. Body s trvale největší výchylkou se nazývají kmitny, body s trvale nulovou výchylkou se nazývají uzly. Stojaté vlnění pružných těles se nazývá chvění a je nejčastějším zdrojem zvuku a fyzikálním základem hudebních nástrojů.^[7] Stojaté vlnění není spojeno s přenosem ani hmoty ani energie.

Stojaté vlnění na plošném útvaru (desce) se nazývá chvění. Při posypání desky sypkým materiálem a rozechvění, vzniknou na desce charakteristické obrazce, tzv. Chladniho obrazce. V místech, kde se po rozechvění soustředí sypký materiál jsou uzly vlnění.^[8]

Šíření vlnění

Související informace naleznete také v článku Vlnoplocha.

Vlnění se šíří v tzv. vlnoplochách - množinách bodů se stejnou fází. Je-li prostředí izotropní jsou vlnoplochami soustředné kružnice. Platí Huygensův princip^[4] - každá vlnoplocha se stává zdrojem nekonečně mnoha elementárních vlnění, jejichž interferencí vzniká další vlnoplocha. Huygensův princip vysvětluje ohyb vlnění(difrakci), kdy vlnění je schopno projít malým otvorem v překážce a rozšířit se za ní. Směr šíření postupného vlnění udává paprsek, což je přímka kolmá na vlnoplochu.^[9]

Rychlost šíření vlnění závisí na druhu látkového prostředí. Jelikož souvisí se vazebnými silami mezi částicemi ,je proto nejvyšší v látkách pevných (např. v oceli 5000 m/s), o něco nižší v látkách kapalných (ve vodě 1500 m/s), nejpomaleji se vlnění šíří v plynech.^[4]

Rychlost zvuku ve vzduchu je závislá na teplotě podle vztahu ${\displaystyle v_{t}=\left(331,82+0,61{t}\right)m\times s^{-1}}$ kde ${\displaystyle {t}}$ je teplota ve °C.^[10][4]