Mechanische golven

Inhoud

Golven = trillingen doorgeven

Je weet ondertussen dat alle (!) voorwerpen kunnen trillen. Dat komt omdat alle voorwerpen elastisch zijn. Maar die trillingen worden ook doorgegeven. Hieronder zie je hiervan een aantal voorbeelden.

Wanneer je een eind van een touw laat trillen, dan voel je die trilling even later ook verderop in dat touw.

Als je een object laat trillen, dan kan een ander object gaan meetrillen. De trilling wordt doorgegeven in de lucht.

Als je een wateroppervlak in beweging brengt, dan zal de trilling die je veroorzaakt over het wateroppervlak reizen.

Een aardbeving is een trilling in de aardkorst. Die trilling plant zich voort en kan soms tot aan de andere kant van de aarde waargenomen worden!

SIMULATIE

Gebruik de simulatie Golf op een koord van Phet.

Zet de simulatie op puls, zonder uiteinde, zonder demping en met vertraagde beweging.
Zet de simulatie op trillen, zonder uiteinde, zonder demping en met vertraagde beweging.

Merk op hoe de trilling zich voortplant doorheen de koord. Elk stukje van de koord gaat op dezelfde manier trillen als de bron. De energie van de bron wordt doorgegeven doorheen de koord.

EXPERIMENTEN

Hoor je onder water de geluiden die boven water worden gemaakt?
Leg een tikkend klokje op de rand van een houten tafel. Hoor je het getik als je je oor aan het andere eind van de tafel tegen het hout drukt?
We steken een geluidsbron onder de klok van een vacuümpomp en pompen de lucht weg. Hoor je in vacuüm het geluid nog?

WAARNEMINGEN

Onder water hoor je geluid dat boven water wordt gemaakt. Geluidsgolven planten zich voort in water.
Zelfs als je het tikken van het klokje niet hoort doorheen de lucht, dan kan je de geluidsgolven die zich door de vaste stof voortplanten nog wél horen. Geluidsgolven planten zich voort in vaste stoffen.
Als een geluidsbron zich in vacuüm bevindt, kan de trilling niet tot bij ons komen. Geluidsgolven planten zich NIET voort in vavuüm.

EXPERIMENT

We gebruiken een golfapparaat om nogmaals de voortplanting van een trilling te bestuderen. Als we 1 stok laten heen en weer trillen, dan gaan de andere stokken dat ook doen. De stokken blijven ter plaatse trillen, de energie wordt doorgegeven.

Golfapparaten.

TERMINOLOGIE - MEDIUM

De tussenstof waarin een trilling zich voortplant, noemen we het MEDIUM.

Trillingen worden doorgegeven in elk soort medium: in gassen, in vloeistoffen en in vaste stoffen. Dat gebeurt omdat de moleculen elkaars beweging voelen en er op reageren.

TERMINOLOGIE - MECHANISCHE GOLF

Een GOLF is een trilling die zich voortplant in een medium. We noemen de golf MECHANISCH als de deeltjes van het medium energie doorgeven aan elkaar omdat ze in rechtstreeks contact staan.

GOLVEN = OVERDRACHT VAN ENERGIE

Bij een golf krijg je GEEN overdracht van materie. Een trillingsbron zorgt voor een verstoring in het medium. Omwille van de elasticiteit van de middenstof wordt “de manier van trillen” overgedragen van deeltje op deeltje. Er treedt dus OVERDRACHT op VAN ENERGIE. Daardoor gaat ieder “deeltje” waar de golf langskomt de trilling van de bron nadoen.

SIMULATIE

Gebruik de simulatie Wave Propagation van Javalab.

Merk hoe de energie doorheen het medium wordt overgedragen.

Kan je surfen omdat water met je mee stroomt? Nee. Het water blijft te plaatse op en neer bewegen terwijl de surfer over het water vooruit beweegt.

Iedereen die ooit écht gesurfd heeft, weet dat een surfplank door het water klieft en net als een boot een kielzog heeft (VIDEO). Een surfer kan zelfs zijn hand door het bewegende water laten glijden.

Als het water mee zou bewegen met de surfer zou dat niet kunnen. De surfer beweegt vooruit omdat vooruit naar beneden betekent.

Transversale golven & drukgolven

Je kan golven onderverdelen in 2 groepen: TRANSVERSALE golven en LONGITUDINALE golven (DRUKGOLVEN).

Een TRANSVERSALE GOLF. De richting waarin de golf zich voortplant is hier naar rechts. De deeltjes trillen heen en weer loodrecht op die richting.

Een LONGITUDINALE GOLF of DRUKGOLF. De richting waarin de golf zich voortplant is hier naar rechts en de deeltjes trillen heen en weer in diezelfde richting.

EXPERIMENT

Met een zgn. slinky kunnen we zowel een transversale golf als een drukgolf maken.

Transversale golf in een slinky.

Drukgolf in een slinky.

TERMINOLOGIE - TRANSVERSAAL & LONGITUDINAAL

Een golf is TRANSVERSAAL als de deeltjes loodrecht trillen op de bewegingsrichting van de golf.

Een golf is LONGITUDINAAL als de deeltjes in dezelfde richting trillen als de bewegingsrichting van de golf. We noemen een longitudinale golf ook een DRUKGOLF.

EXPERIMENT

We laten een luidspreker trillen. We verlagen de frequentie van de trilling tot we niets meer horen maar wel duidelijk de trilling in de luidspreker zien. De trilling van de luidspreker geeft ons een goede aanwijzing dat een geluidsgolf zich in gas LONGITUDINAAL voortplant.

Geluid in lucht is een DRUKGOLF.

OPDRACHT

Bekijk welke types golven bij een aarbeving voorkomen.

Merk op dat transversale golven en drukgolven kunnen worden gecombineerd.

OPDRACHT

Bekijk hoe golven in water lopen met de simulatie Water Waves van Javalab.

Merk op dat transversale golven en drukgolven worden gecombineerd.

Golflengte, frequentie en snelheid

Een golf is een trilling die zich voortplant Die heeft dus zeker een frequentie (f) en een amplitude (A), de frequentie en de amplitude van de bron. Een golf heeft uiteraard ook een snelheid (v), de snelheid waarmee de trilling wordt doorgegeven doorheen het medium. Daarnaast heeft een golf ook een golflengte (λ).

GROOTHEID - GOLFLENGTE (λ)

De GOLFLENGTE (λ) van een golf is de kortste afstand tussen twee punten waarvan de trilling synchroon verloopt.

OEFENING

Gebruik de simulatie Golf op een koord van Phet. Zet de simulatie op trillen, zonder uiteinde, zonder demping en met frequentie 1,84 Hz.

Meet de golflengte (λ) van de golf.

OPLOSSING

λ = 3,4 cm

OEFENING

Op deze figuur zie je de verplaatsing van gasmoleculen als er een drukgolf doorheen reist. Geef op de figuur één golflengte (λ) aan.

OPLOSSING

Er zijn verschillende mogelijkheden om dat te doen.

EXPERIMENT

Als we ons golfapparaat laten trillen met verschillende frequenties (f), heeft dat dan een invloed op de snelheid (v) waarmee het patroon beweegt?

ANTWOORD

Nee. De snelheid van de golf hangt niet af van de trilling die de golf veroorzaakt.

EXPERIMENT

Als we ons golfapparaat laten trillen met een grotere frequentie (f), wat gebeurt er dan met de golflengte (λ)?

ANTWOORD

Als we de frequentie groter maken (en de periode dus kleiner), dan wordt de golfengte kleiner.

EXPERIMENT

Als we ons golfapparaat harder opspannen, heeft dat dan een invloed op de snelheid (v) waarmee het patroon beweegt?

ANTWOORD

Als we het golfapparaat harder opspannen, dan zien we dat de voortplantingssnelheid van de golf groter wordt. De elastische eigenschappen van het medium heeft blijkbaar wél invloed op de snelheid van de golf.

SIMULATIE

Gebruik de simulatie Golf op een koord van Phet en simuleer de vorige experimenten.

Zet de simulatie op trillen, zonder uiteinde, zonder demping en met vertraagde beweging.

Verander de frequentie van de bron en observeer de voortplantingssnelheid van de golf.
Verander de frequentie van de bron en observeer de golflengte van de golf.
Verander de spankracht in het touw en observeer de voortplantingssnelheid van de golf.

De voortplantingssnelheid (v) van een golf hangt af van de middenstof waarin de golf zich voortplant. Anders gezegd: door het medium te veranderen, beïnvloeden we de snelheid waarmee de golf zich voortbeweegt.

Hoe groter de frequentie (f) waarmee de bron trilt, hoe kleiner de golflengte (λ) zal zijn.

SIMULATIE

Gebruik de simulatie Golf op een koord van Phet.

Zet de simulatie op trillen, zonder uiteinde, zonder demping, met f = 2,90 Hz en met vertraagde beweging.

Meet hoe ver de golf reist als er 1 periode (T) is verstreken. Wat merk je op?

ANTWOORD

In een tijd ∆t = T verplaatst de golf zich over een afstand die gelijk is aan 1 golflengte (λ).

Een golf reist dus 1 golflengte (λ) verder in de tijd dat de trilling 1 keer gebeurt. De golf legt een afstand λ af in een tijd T. We vinden dus deze formule voor de voortsplantingssnelheid van een golf:

Deze formule geeft het wiskundig verband tussen de voortplantingssnelheid (v) van de golf, de golflengte (λ) van de golf en de frequentie (f) van de bron:

Deze voortplantingssnelheid is een eigenschap van het medium waar de golf doorheen gaat.

De voortplantingssnelheid van een golf hangt af van het medium waar de golf doorheen gaat. In deze tabel vind je een aantal waarden van voortplantingssnelheden (in m/s) van geluid in verschillende stoffen [ BRON ]. Merk op dat in vaste stoffen zowel drukgolven als transversale golven kunnen ontstaan.

De voortplantingssnelheid van licht en andere EM golven is in vacuüm exact [ BRON ]: