Vlnění v přírodě z pohledu fyziky

Vlnění si intuitivně představíme podle vln na vodě. Vlnění obecně představuje kmitavý stav jistého prostředí. Může to být vzduch, v případě elektromagnetických vln elektromagnetické pole. V případě vln gravitačních kmitá sám prostor a čas.

Základní pojmy vlnění

Vlny mají stejně jako kmity frekvenci f (kolikrát za sekundu jedním místem prokmitnou) a periodu T (čas, po kterém se začne vlna opakovat). Navíc mají vlnovou délku λ (vzdálenost, po jaké se začne vlna opakovat). Vlna se šíří rychlostí v.

• příčné vlnění: výchylka je kolmá na směr šíření (např. elektromagnetické vlny)
• podélné vlnění: výchylka je rovnoběžná se směrem šíření (např. zvukové vlny)

Pokud je vysoká frekvence, kmitá vlna rychle. Vlnová délka se tedy při stejné frekvenci mění podle toho, v jakém prostředí se zvuk šíří.

Zvuk jako vlnění

Zvuk je vlnění. Tedy, zvuková vlna je mechanická vlna, která se šíří látkovým prostředím (např. vzduchem, vodou). Zvuková vlna tónu je periodická - je v ní vzor, který se pravidelně opakuje. Tóny rozdělujeme na jednoduché a složené.

Složené tóny lze vytvořit kombinací několika jednoduchých tónů, které se sečtou. Složené tóny většinou najdeme v hudbě (zpěv, zvuk flétny, klavíru nebo klarinetu), zatímco jednoduché tóny umí vytvořit počítač nebo ladička. Zvuková vlna hluku není periodická. Tím, že je nepravidelná, nemá přesnou frekvenci (počet opakování vzoru za sekundu).

Čtěte také: Přehled druhů křemene

Vlastnosti zvuku

Výšku tónu vnímáme subjektivně, je dána základní frekvencí zvuku. Hlasitost souvisí s amplitudou zvukové vlny (jak moc se změní tlak vzduchu nebo intenzita zvukové vlny) - čím je změna vyšší, tím hlasitější zvuk slyšíme. Fyzikálně hlasitosti odpovídá veličina zvaná hladina intenzity zvuku.

Hladina intenzity zvuku je bezrozměrná (podobně jako např. procento). Využíváme pro ni ale jednotku Bel (nebo častěji její násobek - decibel (dB)), která vyjadřuje logaritmus poměru dvou hodnot: naměřené hladiny intenzity zvuku k hladině intenzity nejtiššího slyšitelného zvuku. Nejtišší slyšitelný zvuk se nazývá práh slyšení (0 dB). Decibel je logaritmická jednotka. Lidské ucho totiž vnímá i velké změny podnětů (například nárůst změny tlaku ve vzduchu) jako malou změnu počitku.

Barva zvuku souvisí s tvarem zvukové vlny. Složené tóny kromě základní (nejnižší) frekvence obsahují také směs dalších (tzv. vyšších harmonických) frekvencí. Vyšší harmonické frekvence jsou celočíselné násobky základní frekvence.

Rychlost zvuku a šíření zvuku

Zvuk je mechanické vlnění, ke svému šíření potřebuje látkové prostředí (např. voda, vzduch, pevná látka). Mechanické vlnění se šíří prostředím, kde jsou částice. Kmitání jedné částice se přenáší na další částice. Elektromagnetické vlnění ke svému šíření částice nepotřebuje. Jedná se vlastně o kmity elektrického a magnetického pole (časově proměnné silové pole).

Čím jsou v daném prostředí částice k sobě blíž a čím pevnější mají vazby, tím rychleji se zvuk šíří. Zvuková vlna se šíří všemi směry jako změna tlaku. Zvuk ve vzduchu je podélné vlnění. Rychlost zvuku závisí na teplotě vzduchu: čím je vzduch teplejší, tím rychleji se zvuk šíří. Zvuk se taky šíří nepatrně rychleji ve vlhkém vzduchu (třeba při bouřce), rychlost závisí i na složení vzduchu.

Čtěte také: Travní porosty ČR

Když zvuková vlna narazí na překážku, část se odrazí. Podle toho, o jakou překážku se jedná, odrazí se více nebo méně zvuku - tvrdé a hladké povrchy (skála, dlaždice) vedou k silnějšímu odrazu, zatímco měkčí povrchy (molitan, koberce) více zvuku pohltí. Pokud je překážka, od které se zvuk odráží, plochá a velká.

Pokud se odražený zvuk vrátil za více než 0,1 sekundy, mluvíme o ozvěně. Desetina sekundy je totiž čas, který zhruba trvá vyslovit jednu slabiku. Pokud se odražený zvuk vrátí za méně než desetinu sekundy, jedná se o dozvuk. Zvuk se může šířit i za překážkami. Díky ohybu zvuku slyšíme, když někdo mluví za rohem, přestože jej nevidíme. Ohyb zvuku je výraznější u překážek, které mají podobnou velikost jako vlnová délka zvuku. Zvuky vysokých frekvencí se tlumí snáz než nízkofrekvenční zvuky.

Infrazvuk, ultrazvuk a sluch

Pokud má nějaká zvuková vlna frekvenci nižší než 16 Hz, jedná se o infrazvuk. A naopak vlna o frekvenci vyšší než 20 000 Hz je zase ultrazvuk. S věkem postupně ztrácíme citlivost k vysokým frekvencím (horní hranice toho, co slyšíme, klesá např.

Přestože lidé infrazvuky a ultrazvuky neslyší, některá zvířata je slyšet mohou. Sloni využívají infrazvuky ke komunikaci, netopýři zase využívají ultrazvuk při orientaci v prostoru a lovu kořisti (tzv. echolokace).

Gravitační vlny

Gravitační vlny lze intuitivně pochopit z následující analogie. Představme si člověka doprostřed trampolíny, vytvoří se prohlubeň. Pokud se člověk pohne, se rozvlní celá trampolína. Každá hvězda zakřivuje prostoročas ve svém okolí. Pokud se hvězda pohne, změní se též okolní geometrie a vzniklý rozruch se bude předávat dále. Takto vznikají vlnky křivosti prostoročasu .

Čtěte také: Ohrožené děti a znečištění ovzduší

V amplitudě a frekvenci je zakódována cenná informace o procesu zániku hvězdy, při němž vzniká buď neutronová hvězda nebo dokonce černá díra. Okolí černé díry je pro elektromagnetické záření neprůhledné. Rozložení hmoty osciluje s periodou rovnou době oběhu a vyzařuje gravitační vlny.

Zdrojem gravitačních vln může být splynutí neutronových hvězd či splynutí černých děr. Takové vlny mohly vznikat v raném vesmíru. Informace je velmi dobře zakonzervována. Pomocí gravitačních vln lze studovat vesmír mladší než 100 000 let. Pro elektromagnetické vlny je tato hranice neprůhledná.

Vlastnosti gravitačních vln

Gravitační vlny mají specifické vlastnosti. Změny v prostoročasu jsou velmi slabé ve srovnání se silami elektromagnetickými či jadernými. Relativní změna délky je 10^-42.
Deformace prostoročasu je příčná. Testovací tělesa se zrcátky vytvoří tzv. rezonanční dutinu.

I přes obtížnost přímé detekce máme některé nepřímé důkazy existence gravitačních vln. Např. binární pulsar PSR 1913+16. Vazbová energie systému je odnášena vyzařovanými gravitačními vlnami. Existence gravitačních vln byla potvrzena Nobelovou cenou za fyziku v roce 1993.

Tabulka příkladů zdrojů gravitačních vln a jejich charakteristik

tags: #druhy #vln #v #prirode #fyzika

Oblíbené příspěvky:

• Co s odpadem v Řepištích?
• Omalovánky k Vytisknutí: Odpadky v Lese
• Veganství a dopad na klima
• Dějiny ústavu ekologické výchovy
• Zkušenosti s ZŠ Sirotkova