Скорость звука в тонком стержне

Скорость передачи удара по стержню оказывается меньшей, чем рассчитанная по формуле из учебника скорость распространения звука в тонком стержне.

Наш канал с дополнительными материалами

Новосибирский Государственный Университет
Физический факультет НГУ

[R.A.V.E.Design]

Пётр Земсков, Алексей Савватеев, Николай Андреев, Павел Виктор, Александр Бебрис, а так же Андрей и Алексей с канала Get a Class - вы очень крутые учителя, которых нам сильно не хватало в школе в своё время...

[morpheus]

Не все ролики смотрю (по интересам), но обожаю и канал, и подачу). Спасибо за это

[ВячеславАнтонцев-бу]

Как это здорово когда сами авторы в таких, казалось бы, несложных задачках сами открывают что-то новое для себя)

[buster]

Какие же вы всё таки Молодцы! Какой замечательный познавательный материал производите! Школа XXI века? Да вот же она! Браво!

[dimachet]

Спасибо большое Вам за такую нужную работу! Даже взрослым интересно, не только детям!

[BblpBurJIa]

а ларчик просто открывался) Спасибо за то, что показали сам процесс поиска правильного подхода, а не сразу готовый эксперимент!

[antongoncharuk]

как всегда, превосходная подача, спасибо :)

[aleahov]

Мы 10-А класс просмотрели Ваш эксперимент, эту тему мы прошли теоретически и решали задачи по учебнику, но мало информации о влиянии длины стержня на распространения волн и расчет по формулам, которые "не работают" при таких геометрических размеров стержня.

[vovick]

Спасибо!
При определении способом удара по контакту также возникают колебания в неподвижной части, они, кажется, всё и портят.
Лучше всего стержень звучит если его держать рукой за середину, так гасятся поперечные колебания (низкой частоты) и гармоники продольных.
Проблема определения скорости звука по времени прохождения действительно, в том что для точного измерения импульс должен быть коротким и с резкими краями, при проходе импульс размазывается, и чем он короче, тем сильнее,  полоса частот преобразователей также ограничена. Также, короткий импульс переотражается внутри преобразователей.
Наилучшие результаты при своей простоте показал резонансный способ, когда к одному торцу стержня присоединяем излучающий пьезоэлемент, подключенный к генератору, а к другому - приёмный, подключенный к вольтметру или осциллографу. Чтобы уменьшить их влияние на резонансную частоту, присоединение должно быть "слабым", точечным, например, просто прислонить к торцам вертикального стержня с неровными, какие есть, торцами, стержень ставить например на тряпку для звукоизоляции. Резонанс чётко виден по возрастанию напряжения на приёмном пьезоэлементе и слышен. Мы определяли так скорость звука при разработке ультразвуковых колебательных систем, расчётная частота хорошо совпала с измеренной.

[ЮрийМел-во]

Спасибо! Не переделывая слишком сильно установку, можно проверить результат по-другому: возьмите
пьзозажигалку, разберите ее и извлеките пьезоэлемент. Он, - есть прекрасный ультразвуковой микрофон.
Приклейте его к противоположному от удара торцу и подсоедините его к осциллографу. Усилители не требуются. После удара на осциллографе Вы (и мы) увидем серию отражений ударной волны.

[picofarad]

Заметил как-то, что примерно 300 миллиметровый стержень В95Т1 диаметром 20мм на удар реагирует гораздо глуше чем такой же из Д16Т. Я думал, что твёрдость влияет только на частоты, а тут прям как буд-то что-то поглощает внутри материала.

[AlexeySivokhin]

Вот теперь бы рассмотреть распространение крутильных колебаний... Это интерес не совсем праздный, крутильные колебания тонкой проволоки, диаметром в полмиллиметра и длиной около 10 метров (свёрнутой аккуратными витками) использовали в устройстве старого калькулятора в качестве запоминающего устройства, звук, введённый вблизи одного конца с помощью пъезокристалла на рычажке, чтобы возбудить именно крутильные колебания, на другом конце преобразовывался снова в электрическое напряжение с помощью проволочки и магнита, электрический сигнал усиливался и подавался на входной пьезокристалл, так что память (двоичное число) существовала в виде звука, бегущего по проволоке. Для исключения отражения от торцов концы проволоки демпфировались погружением в силикон.

[Хозяйство-нй]

Когда я учился в школе, то я частично прочитал книгу "Занимательная физика". Автора книги не помню. В книге были изображения, скопированные из юмористического журнала. На изображениях был показан заключенный, находящийся во дворе тюрьмы. К ноге заключенного была на цепочке прицеплена гиря, чтобы он не сбежал. Затем заключенный раскрутил себя как балерина и, используя силу инерции гири, перебросил себя через забор тюрьмы. Автор книги утверждал, что такое невозможно, так как силы взаимодействия гири с заключенным являются внутренними. Тогда я не понял доводов автора. Потом у меня появились более глубокие знания по теоретической механике и я пришел к выводу, что доводы автора являются ошибочными. Такое может быть невозможным, потому что мускульной силы заключенного недостаточно, чтобы придать себе достаточно большую угловую скорость, или потому, что у заключенного нет достаточно точек опоры, чтобы удерживать себя в равновесии до того момента времени, пока его угловая скорость не станет достаточно большой. А внутренние силы здесь не при чем. Внутренние силы могут сдвинуть с места центр масс механической системы, когда им на помощь приходят внешние силы. Доказательством тому служит движение автомобиля.

[АлександрЧемарин-но]

Образование - великая вещь. Спасибо, что популярно продвигаете науку. Это очень нужное дело.

[nikolajsstepanovs]

Спасибо! Просмотрел эксперимент, прочитал комменты. Молодцы!!!

[balaamster]

Ещё придумал какие замеры можно попробовать производить:
1. взять два гитарных звукоснимателя (или сделать их аналог из катушек и магнитов),
2. разместить звукосниматели рядом с противоположными концами стержня.
3. Подключить звукосниматели к стерео-рекордеру
4. В момент удара по стержню возникнет транзиент. Звук с ярко выраженной атакой. В первом и втором канале эти пики будут разнесены во времени.
5. Зная время между пиками транзиентов и расстояние между звукоснимателями, можем вычислить скорость распространения звука в стержне.
Чем выше будет частота дискретизации при записи, тем выше точность полученных замеров.

[IgorTs]

А где можно задать вопрос?
Я столкнулся с эффектом который мне мешает работать,
но я не могу понять почему так происходит.

Вот если есть пачка чего то плоского, листы плотной бумаги...
В моем случае это керамические плиты переложенные листами плотной бумаги.
Берешь верхнюю плиту и поднимаешь, но
нижний лист как бы прилипает к плите и летит за ней... потом отваливается и падает непредсказуемо.

Похожая ситуация:
Пачка листов бумаги. хватаешь присоской верхний лист... а вот и не хрена, следом поднимается еще один...

Мы наловчились и даем манипулятору паузу. Предмет берем, приподнимаем на пару сантиметров и даем паузу... нижний лист успевает отвалиться.
Но это сильно снижает быстродействие линии... мы вынуждены были поставить 2 манипулятора и разбирать одновременно 2, а кое где сразу 3 - 4 пачки.

По логике лист должен оставаться внизу... но против сил гравитации он взлетает.
Почему и как с этим бороться?

Я так догадываюсь, что это связано с появляющимися в момент разделения пачки электростатическими зарядами.

Эмпирически установлено, что если верхний лист взять присоской за середину придерживая края, с тем чтобы сначала оторвать середину, слегка согнуть верхний лист, то пачка его отпускает и не летит следом.
Но у меня керамика, она не сгибается...

[ГорбатыйИ.Н]

Андрей Иванович, спасибо за ролик. Как всегда, увлекательно и есть над чем подумать. Замечу, что время столкновения одинаковых упругих шаров: 1) зависит от от их относительной скорости, 2) обычно значительно превышает время распространения упругой волны в пределах шара ("Квант", 1993, №9). При столкновении упругих стержней (в вашей интерпретации) оказалось иначе.

[katharinanovaroma]

Так можно измерения сделать проще. И при этом увидеть дисперсию, то есть зависимость скорости от частоты. Если такая есть.
На одном конце телефон, на другом микрофон. И все это на двухлучевой осциллограф. К телефону подключать генератор синусоиды или импульсов.
На высоких частотах телефон и микрофон заменить на пьезоэлементы.
Погрешность телефона и микрофона легко найти, если сделать измерения на двух стержнях разной длины.
Возможно микрофон надо вешать не на самом конце, а отступив. А в конце лучше установить поглотитель отраженного сигнала.

[Walker]

Интересная мысль соотнести частоту колебаний с длиной стержня. Никогда не приходило в голову. Действительно, гениальные идеи как правило просты.