RuukkilabraLukion fysiikka
FY5 · Luku 10

Aaltojen synty ja eteneminen

Miksi tolpassa roikkuva kello kilahtaa, kun pitkän narun toista päätä heilautetaan kerran, vaikka kukaan ei koske kelloon?

Pohjatiedot

Ydinpolku: etene vaiheiden mukaan. Valinnainen-merkityt tehtävät tarjoavat lisäharjoittelua. Valinnaisia tehtäviä 4.

Pohdinta

Pihan poikki on vedetty kymmenen metriä pitkä naru, jonka toinen pää on sidottu tolppaan. Tolpassa narun kohdalla roikkuu pieni kello. Kun narun vapaata päätä heilautetaan kerran nopeasti ylös ja alas, narussa näkyy kumpu, joka kulkee kohti tolppaa. Hetken kuluttua kello kilahtaa, vaikka kukaan ei koskenut siihen.

Mikä narussa kulki kädestä tolpalle asti ja sai kellon soimaan?

Valinnainen Kertaa: jaksonaika ja taajuus
Jousen varassa riippuva punnus tekee $12$ täyttä värähdystä $6{,}0\,\text{s}$:ssa. Mikä on värähtelyn taajuus?

Ennusta

Tee ennusteet ennen tutkimista 2 kysymystä

Ennuste 1: miten narun kohta liikkuu?

Naruun on merkitty yksi kohta $P$ värikkäällä nauhalla. Narun päätä heilutetaan tasaisesti ylös ja alas, ja aalto etenee narussa vaakasuoraan kohti tolppaa.Miten kohta $P$ liikkuu, kun aalto on saavuttanut sen?

Ennuste 2: tiheämpi heilutus

Narua heilutetaan ensin taajuudella $1{,}0\,\text{Hz}$. Sitten samaa narua heilutetaan kaksi kertaa tiheämmin, taajuudella $2{,}0\,\text{Hz}$, eikä narun jännitys muutu. Mitä aallolle tapahtuu?

Tutki

Paina Käynnistä ja katso, miten aalto syntyy narun vasemmasta päästä. Seuraa samalla merkittyä kohtaa $P$ ja sen kuvaajaa.

Simulaatio

Käyttöohje

Paina Käynnistä: vasemman pään kahva alkaa liikkua, ja aalto etenee oikealle. Ylempi kuva on aallon valokuva eli koko naru tai jousi yhdellä hetkellä; viivaimen lukemat ovat metrejä. Alempi kuvaaja näyttää merkityn kohdan $P$ poikkeaman $y$ ajan funktiona viimeisten $4\,\text{s}$:n ajalta. Valitse Aalto-valikosta poikittainen aalto narussa tai pitkittäinen aalto kierrejousessa, Lähde-valikosta jatkuva aalto tai yksi pulssi ja Jännitys-valikosta suuri tai pieni jännitys. Liukusäädin muuttaa lähteen taajuutta $f$. Kun muutat jotakin arvoa, aalto alkaa alusta; Alusta tekee saman. Jatkuvassa aallossa kahden harjan (tai tihentymän) väli on merkitty $\lambda$:lla. Nopeus muuttaa vain animaation tahtia, ei aallon nopeutta $v$.

Mallin oletukset

Narun tai jousen jokainen kohta toistaa lähteen liikkeen viiveellä, joka on kohdan etäisyys lähteestä jaettuna aallon nopeudella; rintaman edellä väliaine on levossa. Aallon nopeus riippuu vain jännityksestä: suurella jännityksellä $v = 2{,}0\,\text{m/s}$, pienellä $1{,}0\,\text{m/s}$. Amplitudi on $5{,}0\,\text{cm}$. Narun kuvassa poikkeama on piirretty suurennettuna, jousen kuvassa viivaimen mittakaavassa; pitkittäisessä aallossa poikkeama $y$ on jousen suuntainen, ja tummennettu alue näyttää tihentymät, joissa kierrokset ovat tavallista lähempänä toisiaan. Kohta $P$ on kohdassa $x = 1{,}00\,\text{m}$. Väliaine jatkuu kuvan oikealle puolelle niin pitkälle, ettei heijastunut aalto palaa kuvaan, eikä aalto vaimene. Luvut ovat mallin arvoja, eivät mittauksia.

Laskennan selitys

Kohdan $x$ poikkeama hetkellä $t$ on lähteen poikkeama hetkellä $t - \tfrac{x}{v}$:

$$y = A \sin\left(2\pi f \left(t - \frac{x}{v}\right)\right)$$

kun $t - \tfrac{x}{v} \ge 0$, muuten $y = 0$. Pulssissa lähde liikkuu vain puolen jaksonajan $\tfrac{T}{2}$, joten pulssi on yksi harja, jonka pituus on $\tfrac{\lambda}{2}$. Lukemissa $T = \tfrac{1}{f}$, $\lambda = \tfrac{v}{f}$ ja aallon etenemä matka $x = vt$. Kohdan $P$ suurin poikkeama poikittain ja pitkittäin on suurin $|y|$, joka on esiintynyt käynnistyksen jälkeen.

Koe 1: kulkeeko kohta $P$ aallon mukana?

Testaa ennuste 1. Taajuus ja jännitys pysyvät vakioina. Paina Käynnistä ja anna aallon edetä ainakin kolme sekuntia, niin että se on ohittanut kohdan $P$ ja kulkenut kuvan oikeaan reunaan. Kirjaa mittaus. Vaihda sitten aallon lajiksi pitkittäinen, käynnistä uudelleen ja kirjaa taas.

Alkutila: aalto: poikittainen, lähde: jatkuva aalto, jännitys: suuri jännitys, taajuus $f$ = $1\,\text{Hz}$. Vakiona: lähde, jännitys, taajuus $f$. Muutetaan: aalto.

Simulaation lukemat
aaltoeteni $(\text{m})$poikittain $(\text{cm})$pitkittäin $(\text{cm})$

Koe 2: vain taajuus muuttuu

Testaa ennuste 2. Naru ja sen jännitys pysyvät samoina; muuta vain lähteen taajuutta. Käynnistä aalto, odota, että narussa näkyy ainakin kaksi harjaa, ja kirjaa mittaus ainakin taajuuksilla $1{,}0\,\text{Hz}$ ja $2{,}0\,\text{Hz}$, halutessasi myös $0{,}5\,\text{Hz}$:llä (silloin $\lambda = 4{,}0\,\text{m}$ ja kuvaan mahtuu vain hetkittäin kaksi harjaa, joten aallonpituuden lukema riittää). Tarkista aallonpituus myös viivaimesta.

Alkutila: aalto: poikittainen, lähde: jatkuva aalto, jännitys: suuri jännitys, taajuus $f$ = $1\,\text{Hz}$. Vakiona: aalto, lähde, jännitys. Muutetaan: taajuus $f$.

Simulaation lukemat
taajuus $f$$\lambda$ $(\text{m})$$v$ $(\text{m/s})$

Koe 3: vain väliaine muuttuu

Nyt taajuus pysyy $1{,}0\,\text{Hz}$:ssä, ja muutat narun jännitystä. Kirjaa mittaus suurella ja pienellä jännityksellä. Mikä muuttuu ja mikä pysyy?

Alkutila: aalto: poikittainen, lähde: jatkuva aalto, jännitys: suuri, taajuus $f$ = $1\,\text{Hz}$. Vakiona: aalto, lähde, taajuus $f$. Muutetaan: jännitys.

Simulaation lukemat
jännitys$f$ $(\text{Hz})$$v$ $(\text{m/s})$$\lambda$ $(\text{m})$

Johtopäätös: mikä aallossa etenee ja mikä määrää sen nopeuden?

Kirjoita taulukoidesi perusteella: Kuinka kauas aalto eteni kokeessa 1, ja kuinka paljon ja mihin suuntaan kohta $P$ liikkui poikittaisessa ja pitkittäisessä aallossa? Laske kokeen 2 jokaiselta riviltä tulo $f\lambda$ ja vertaa sitä nopeuteen $v$. Mikä muutti aallon nopeutta kokeessa 3, ja mitä silloin tapahtui aallonpituudelle?

Teoriatiivistelmä

Ydinajatus

Aalto on etenevä häiriö

Kun narun päätä heilautetaan ylös, käsi vetää mukanaan narun lähintä kohtaa. Jännittynyt naru vetää puolestaan seuraavaa kohtaa ja se taas seuraavaa, joten jokainen kohta lähtee liikkeelle hieman myöhemmin kuin edellinen. Näin poikkeama tasapainoasemasta eli häiriö etenee narussa kättä kauemmas. Aaltoliike on häiriön etenemistä väliaineessa. Väliaineen hiukkaset värähtelevät vain tasapainoasemansa ympärillä eivätkä kulje aallon mukana. Kaasussa molekyylit liikkuvat lisäksi satunnaisesti lämpöliikkeen vuoksi, mutta aalto ei kuljeta niitä mukanaan. Aalto kuljettaa siis energiaa lähteestä kauemmas, mutta ei ainetta. Siksi narun toisessa päässä oleva kello voi kilahtaa, vaikka mikään narun kohta ei kulje kädestä kelloon asti.

Mekaaninen aalto tarvitsee väliaineen, kuten narun, jousen, veden tai ilman. Yksi heilautus synnyttää pulssin, yksittäisen kummun, joka etenee narussa. Kun kättä heilutetaan tasaisesti ylös ja alas, syntyy jaksollinen aalto, jossa harjat ja pohjat toistuvat. Siinä narun jokainen kohta värähtelee samalla taajuudella $f$ kuin käsi. Jaksonaika $T$, taajuus $f$ ja amplitudi $A$ tarkoittavat samaa kuin luvussa Värähtelyn suureet: jaksonaika, taajuus ja amplitudi. Kun aalto saapuu narun päähän, se heijastuu takaisin; heijastumista tarkastellaan luvussa Aalto kohtaa esteen tai raon.

Poikittainen ja pitkittäinen aalto

Aallot jaetaan kahteen lajiin sen mukaan, mihin suuntaan väliaineen hiukkaset värähtelevät. Poikittaisessa aallossa hiukkaset värähtelevät kohtisuoraan aallon etenemissuuntaa vastaan: narun kohdat liikkuvat ylös ja alas, kun aalto etenee vaakasuoraan. Pitkittäisessä aallossa hiukkaset värähtelevät etenemissuunnan suuntaisesti. Kun pitkän kierrejousen päätä työnnetään edestakaisin, jouseen syntyy tihentymiä, joissa kierrokset ovat lähellä toisiaan, ja harvennuksia, joissa ne ovat kaukana toisistaan. Tihentymät ja harvennukset etenevät, mutta jokainen kierros vain heilahtelee paikkansa ympärillä. Esimerkiksi ääni ilmassa on pitkittäinen aalto.

$\text{poikittainen aalto}$
$v$
$\text{kohdan liike}$
$\text{pitkittäinen aalto}$
$v$
$\text{kierroksen liike}$
$\text{tihentymä}$
$\text{tihentymä}$
$\text{harvennus}$
$\text{harvennus}$

Aaltoliikkeen perusyhtälö

Aallonpituus $\lambda$ on kahden peräkkäisen harjan tai kahden peräkkäisen tihentymän välinen etäisyys. Se on lyhin etäisyys kahden sellaisen kohdan välillä, jotka liikkuvat täsmälleen samalla tavalla. Kun lähde tekee yhden täyden värähdyksen eli yhden jaksonajan $T$ aikana, aalto etenee tasan yhden aallonpituuden. Kuvan neljä hetkeä näyttävät, miten jokainen jaksonajan neljännes vie aaltoa neljäsosan aallonpituudesta eteenpäin.

$t = \tfrac{1}{4}T$
$t = \tfrac{1}{2}T$
$t = \tfrac{3}{4}T$
$t = T$
$v$
$\lambda$

Aallon nopeus on siis aallonpituus jaettuna jaksonajalla. Koska taajuus on $f = \tfrac{1}{T}$, saadaan aaltoliikkeen perusyhtälö

$$v = \frac{\lambda}{T} = f\lambda$$

missä $v$ on aallon etenemisnopeus ($\text{m/s}$), $\lambda$ aallonpituus ($\text{m}$), $T$ jaksonaika ($\text{s}$) ja $f$ taajuus ($\text{Hz}$). Yksiköt sopivat yhteen, koska $1\,\text{Hz} = 1\,\text{s}^{-1}$, joten $1\,\text{Hz} \cdot 1\,\text{m} = 1\,\text{m/s}$. Pulssin nopeuden voi mitata myös suoraan: pulssi etenee samassa väliaineessa tasaisella nopeudella, joten $v = \tfrac{s}{t}$, missä $s$ on matka ja $t$ siihen kulunut aika.

Nopeus riippuu väliaineesta, taajuus lähteestä

Aallon nopeus määräytyy väliaineesta. Kireässä narussa aalto etenee nopeammin kuin löysässä, ja ääni etenee $20\,{}^\circ\text{C}$:n ilmassa noin $343\,\text{m/s}$:n mutta vedessä noin $1500\,\text{m/s}$:n nopeudella. Taajuus määräytyy lähteestä: se on käden, jousen pään tai kaiuttimen värähtelyn taajuus. Narussa ja ilmassa aallon nopeus ei käytännössä riipu taajuudesta eikä pienestä amplitudista. Kun samaa narua heilutetaan tiheämmin, nopeus pysyy samana ja aallonpituus lyhenee: kaksinkertainen taajuus puolittaa aallonpituuden. Kun aalto siirtyy väliaineesta toiseen, taajuus säilyy, mutta nopeus ja aallonpituus muuttuvat.

Valokuva ja yhden kohdan kuvaaja

Aaltoa voi kuvata kahdella kuvaajalla, jotka näyttävät samanlaisilta siniaalloilta. Valokuva eli $(x, y)$-kuvaaja näyttää koko narun muodon yhdellä hetkellä: vaaka-akselilla on paikka $x$, ja kahden harjan väli on aallonpituus $\lambda$. Yhden kohdan kuvaaja eli $(t, y)$-kuvaaja näyttää yhden narun kohdan poikkeaman $y$ ajan funktiona: vaaka-akselilla on aika $t$, ja kahden huipun väli on jaksonaika $T$. Kummastakin kuvaajasta voi lukea amplitudin $A$. Lue siis aina ensin, mikä suure on vaaka-akselilla.

$\text{valokuva: koko naru yhdellä hetkellä}$
$\text{yksi kohta: poikkeama ajan funktiona}$
$-4$
$0$
$4$
$x\ (\text{m})$
$y\ (\text{cm})$
$0{,}5$
$1$
$1{,}5$
$2$
$2{,}5$
$\lambda$
$A$
$-4$
$0$
$4$
$t\ (\text{s})$
$y\ (\text{cm})$
$0{,}25$
$0{,}5$
$0{,}75$
$1$
$1{,}25$
$T$
$A$

Yleinen virhekäsitys

Moni ajattelee, että aalto etenee sitä nopeammin, mitä tiheämmin kättä heilutetaan. Samassa narussa nopeus pysyy kuitenkin samana. Kun taajuus kasvaa $1{,}0\,\text{Hz}$:stä $2{,}0\,\text{Hz}$:iin, aallonpituus lyhenee $2{,}0\,\text{m}$:stä $1{,}0\,\text{m}$:iin, ja tulo $f\lambda$ on edelleen $2{,}0\,\text{m/s}$. Nopeuden voi muuttaa vain muuttamalla väliainetta, esimerkiksi kiristämällä narua.

Toinen yleinen virhe on lukea aallonpituus yhden kohdan $(t, y)$-kuvaajasta. Siinä huippujen väli on jaksonaika $T$ sekunteina, ei aallonpituus. Kolmas virhe on ajatella, että aalto kuljettaa narun ainetta mukanaan: narun kohdat vain värähtelevät paikallaan, ja eteenpäin siirtyy energia.

Tiivistelmä

  • Aaltoliike on häiriön etenemistä väliaineessa. Väliaineen hiukkaset värähtelevät tasapainoasemansa ympärillä, ja aalto kuljettaa energiaa mutta ei ainetta.
  • Poikittaisessa aallossa hiukkaset värähtelevät kohtisuoraan etenemissuuntaa vastaan (naru), pitkittäisessä aallossa etenemissuunnan suuntaisesti (kierrejousi, ääni ilmassa).
  • Yksi heilautus tekee pulssin, tasainen heilutus jaksollisen aallon. Aallonpituus $\lambda$ on kahden peräkkäisen harjan väli.
  • Aaltoliikkeen perusyhtälö on $v = \tfrac{\lambda}{T} = f\lambda$. Nopeus riippuu väliaineesta, taajuus lähteestä.
  • Valokuvasta eli $(x, y)$-kuvaajasta luetaan aallonpituus, yhden kohdan $(t, y)$-kuvaajasta jaksonaika.
Valinnainen Palaa ennusteisiisi

Vertaa ennusteitasi kokeiden mallin arvoihin. Palaa sitten alun kysymykseen: mikä narussa kulki kädestä tolpalle asti, ja miksi kello saattoi kilahtaa, vaikka mikään narun kohta ei siirtynyt sen luo?

    Muuttaisitko ennustettasi?

    Sovella

    Esimerkki

    Tehtävä

    Pitkä naru on vedetty kireälle pihan poikki. Kun narun päätä heilautetaan kerran, syntyvä pulssi kulkee $6{,}0\,\text{m}$:n matkan $2{,}5\,\text{s}$:ssa. Sitten samaa narua heilutetaan tasaisesti taajuudella $3{,}0\,\text{Hz}$, eikä narun jännitys muutu. Kuinka pitkä on syntyvän aallon aallonpituus?

    Vaihe 1/7

    Tunnetut ja kysytty. Pulssin kulkema matka $s = 6{,}0\,\text{m}$ ja siihen kulunut aika $t = 2{,}5\,\text{s}$, jaksollisen aallon taajuus $f = 3{,}0\,\text{Hz}$. Kysytään aallonpituutta $\lambda$.

    Vaihe 2/7

    Periaate. Aallon nopeus riippuu väliaineesta eli tässä narusta ja sen jännityksestä, ei siitä, tehdäänkö narussa pulssi vai jaksollinen aalto. Siksi jaksollinen aalto etenee samalla nopeudella $v$ kuin pulssi, ja pulssi etenee tasaisesti, joten $v = \tfrac{s}{t}$. Aallonpituus saadaan sitten perusyhtälöstä $v = f\lambda$.

    Vaihe 3/7

    Kaava ratkaistuna. $$\begin{aligned} v &= \frac{s}{t} \quad\text{ja}\quad v = f\lambda \\ \lambda &= \frac{v}{f} = \frac{s}{f\,t} \end{aligned}$$

    Vaihe 4/7

    Yksikkömuunnokset. Ei tarvita: matka on metreinä ja aika sekunteina, ja $1\,\text{Hz} = 1\,\text{s}^{-1}$, joten $\tfrac{\text{m/s}}{\text{Hz}} = \text{m}$.

    Vaihe 5/7

    Sijoitus. Lasketaan ensin nopeus ja sitten aallonpituus:

    $$\begin{aligned} v &= \frac{s}{t} \\ &= \frac{6{,}0\,\text{m}}{2{,}5\,\text{s}} = 2{,}4\,\text{m/s} \\[6pt] \lambda &= \frac{v}{f} \\ &= \frac{2{,}4\,\text{m/s}}{3{,}0\,\text{Hz}} = 0{,}80\,\text{m} \end{aligned}$$

    Vaihe 6/7

    Tulos. Aallonpituus on $0{,}80\,\text{m}$. Tulos ilmoitetaan kahdella merkitsevällä numerolla kuten lähtötiedot $6{,}0\,\text{m}$, $2{,}5\,\text{s}$ ja $3{,}0\,\text{Hz}$.

    Vaihe 7/7

    Järkevyys. Jaksonaika on $T = \tfrac{1}{f} = 0{,}333\,\text{s}$, ja siinä ajassa aalto etenee $2{,}4\,\text{m/s} \cdot 0{,}333\,\text{s} = 0{,}80\,\text{m}$ eli juuri yhden aallonpituuden, kuten pitääkin.

    Valinnainen Etsi virhe
    Narun päätä heilutetaan tasaisesti. Anturi mittaa narun yhden kohdan poikkeamaa, ja opiskelija saa siitä kuvaajan, jonka vaaka-akselilla on aika $t$ sekunteina. Kuvaajan peräkkäisten huippujen väli on $0{,}50$. Opiskelija päättelee: ”Aallonpituus on $0{,}50\,\text{m}$.Koska taajuus on $2{,}0\,\text{Hz}$, nopeus on $v = f\lambda = 2{,}0\,\text{Hz} \cdot 0{,}50\,\text{m} = 1{,}0\,\text{m/s}$.” Missä on virhe?
    Valinnainen Sovella uuteen tilanteeseen

    Pöydälle on venytetty pitkä kierrejousi. Sen päätä työnnetään edestakaisin jousen suuntaisesti tasaisesti $2{,}5$ kertaa sekunnissa, ja jouseen syntyy tihentymiä, joiden keskikohtien väli on $0{,}60\,\text{m}$.

    Kuinka kauan kestää, että yksi tihentymä kulkee jousen toiseen päähän, $6{,}0\,\text{m}$:n päähän? Vastaa sekunteina.

    s
    Vihje 1: ohjaava kysymys

    Mikä luku on taajuus ja mikä aallonpituus? Mikä suure tarvitaan, jotta matkasta saadaan aika?

    Vihje 2: mikä yhteys

    Aallon nopeus saadaan perusyhtälöstä $v = f\lambda$, ja tihentymä etenee tasaisella nopeudella, joten $t = \tfrac{s}{v}$.

    Vihje 3: välivaihe
    $v$$= 2{,}5\,\text{Hz} \cdot 0{,}60\,\text{m}$
    $= 1{,}5\,\text{m/s}$

    joten $t = \tfrac{6{,}0\,\text{m}}{1{,}5\,\text{m/s}}$.

    Näytä ratkaisu

    Annettu

    taajuus $f = 2{,}5\,\text{Hz}$ (työnnöt sekunnissa), tihentymien väli eli aallonpituus $\lambda = 0{,}60\,\text{m}$, matka $s = 6{,}0\,\text{m}$

    Kysytty

    aika $t$, jossa tihentymä kulkee matkan $s$, sekunteina

    Periaate

    Tihentymät ovat pitkittäisen aallon osia, ja ne etenevät aallon nopeudella. Kahden peräkkäisen tihentymän väli on aallonpituus, ja taajuus on lähteen eli käden työntöjen taajuus, joten nopeus saadaan perusyhtälöstä. Samassa jousessa nopeus on vakio, joten aika on matka jaettuna nopeudella.

    Kaava

    $v = f\lambda$ ja $s = vt$, josta

    $$t = \frac{s}{v} = \frac{s}{f\lambda}$$

    Muunnokset

    Ei tarvita: $1\,\text{Hz} = 1\,\text{s}^{-1}$, joten $f\lambda$ on yksikössä m/s ja matka on metreinä.

    Sijoitus

    $t$$= \dfrac{6{,}0\,\text{m}}{2{,}5\,\text{s}^{-1} \cdot 0{,}60\,\text{m}}$
    $= \dfrac{6{,}0\,\text{m}}{1{,}5\,\text{m/s}}$
    $= 4{,}0\,\text{s}$

    Vastaus

    $4{,}0\,\text{s}$

    Kaksi merkitsevää numeroa kuten lähtötiedoissa $2{,}5$, $0{,}60\,\text{m}$ ja $6{,}0\,\text{m}$.

    Järkevyys

    Jouseen mahtuu $6{,}0\,\text{m} : 0{,}60\,\text{m} = 10$ aallonpituutta, ja aalto etenee yhden aallonpituuden jokaisen jaksonajan

    $T$$= \tfrac{1}{2{,}5\,\text{Hz}}$
    $= 0{,}40\,\text{s}$

    aikana: $10 \cdot 0{,}40\,\text{s} = 4{,}0\,\text{s}$. Nopeus $1{,}5\,\text{m/s}$ on kävelyvauhtia, mikä sopii löysään pöytäjouseen.

    Tarkista osaamisesi

    Exit ticket

    Vastaa ensin itse ja avaa vastaus vasta sitten.

    1. Mitä aalto kuljettaa lähteestä kauemmas, ja mitä se ei kuljeta?
      Vastaus

      Aalto kuljettaa energiaa mutta ei ainetta. Väliaineen hiukkaset värähtelevät tasapainoasemansa ympärillä, ja eteenpäin siirtyy vain häiriö eli värähtelyn vaihe.

    2. Samaa narua heilutetaan kolme kertaa tiheämmin kuin äsken, eikä narun jännitys muutu. Miten aallonpituus muuttuu?
      Vastaus

      Aallonpituus on kolmasosa entisestä. Nopeus $v = f\lambda$ riippuu narusta eikä muutu, joten kun $f$ kolminkertaistuu, $\lambda = \tfrac{v}{f}$ pienenee kolmasosaan.

    1. Mikä säilyy?

    Kevyen narun jatkoksi on solmittu raskas naru. Kevyessä narussa etenevä aalto saapuu solmukohtaan ja jatkaa raskaaseen naruun, jossa aallot etenevät hitaammin.Mikä suure pysyy samana, kun aalto siirtyy narusta toiseen?

    Ehdotus: yksi vastaus ei vielä kerro koko osaamistasi, mutta kertaa asia teoriatiivistelmästä ja tee ydintehtävät.

    2. Lue valokuvasta

    Kuvassa on narun valokuva yhdellä hetkellä. Narun päätä heilutetaan taajuudella $1{,}8\,\text{Hz}$. Kuinka suuri on aallon nopeus? Vastaa metreinä sekunnissa.

    $-4$
    $0$
    $4$
    $x\ (\text{m})$
    $y\ (\text{cm})$
    $1$
    $2$
    $3$
    $4$
    m/s
    Vihje 1: ohjaava kysymys

    Valokuvan vaaka-akselilla on paikka. Mikä etäisyys kuvasta on aallonpituus?

    Vihje 2: mikä yhteys

    Aallonpituus on kahden peräkkäisen harjan väli. Harjat ovat apuviivojen kohdalla.

    Vihje 3: välivaihe

    Harjat ovat kohdissa $0{,}5\,\text{m}$ ja $2{,}0\,\text{m}$, joten

    $\lambda$$= 1{,}5\,\text{m}$
    $v$$= f\lambda$
    $= 1{,}8\,\text{Hz} \cdot 1{,}5\,\text{m}$
    Näytä ratkaisu

    Annettu

    narun valokuva (kuva), taajuus $f = 1{,}8\,\text{Hz}$

    Kysytty

    aallon nopeus $v$ metreinä sekunnissa

    Periaate

    Valokuva näyttää koko narun yhdellä hetkellä, joten kahden peräkkäisen harjan väli on aallonpituus. Yhden jakson aikana aalto etenee yhden aallonpituuden, joten aaltoliikkeen perusyhtälö antaa nopeuden.

    Kuvaajan lukeminen

    Harjat, korkeudella $4\,\text{cm}$, ovat apuviivoilla kohdissa $x = 0{,}5\,\text{m}$, $2{,}0\,\text{m}$ ja $3{,}5\,\text{m}$. Peräkkäisten harjojen väli on $2{,}0\,\text{m} - 0{,}5\,\text{m} = 1{,}5\,\text{m}$, ja sama väli toistuu seuraavien harjojen välillä.

    Kaava

    $v = f\lambda$

    Muunnokset

    Ei tarvita: $1\,\text{Hz} \cdot 1\,\text{m} = 1\,\text{m/s}$. Pystyakselin senttimetrejä ei tarvita, koska amplitudi ei vaikuta nopeuteen.

    Sijoitus

    $v$$= 1{,}8\,\text{s}^{-1} \cdot 1{,}5\,\text{m}$
    $= 2{,}7\,\text{m/s}$

    Vastaus

    $2{,}7\,\text{m/s}$

    Kaksi merkitsevää numeroa kuten taajuudessa $1{,}8\,\text{Hz}$ ja kuvasta luetussa aallonpituudessa $1{,}5\,\text{m}$.

    Järkevyys

    Jaksonaika on

    $T$$= \tfrac{1}{1{,}8\,\text{Hz}}$
    $\approx 0{,}56\,\text{s}$

    ja $\tfrac{1{,}5\,\text{m}}{0{,}56\,\text{s}} \approx 2{,}7\,\text{m/s}$ antaa saman. Muutama metri sekunnissa on tavallinen nopeus kireässä narussa.

    Ehdotus: yksi vastaus ei vielä kerro koko osaamistasi, mutta kertaa asia teoriatiivistelmästä ja tee ydintehtävät.

    3. Ääni aaltona

    Kaiutin soittaa tasaista ääntä, ja ääni etenee ilmassa kaiuttimesta kuulijaa kohti. Miten kaiuttimen ja kuulijan välissä oleva ilman molekyyli liikkuu äänen vuoksi?

    Ehdotus: yksi vastaus ei vielä kerro koko osaamistasi, mutta kertaa asia teoriatiivistelmästä ja tee ydintehtävät.

    Kertaa luvun käsitteet

    Jos valitset Kertaa myöhemmin, kortti siirtyy kertauspakkaasi.

    Aaltoliike
    Värähtelyn etenemistä paikasta toiseen niin, että energiaa siirtyy mutta aine ei siirry mukana.
    Väliaine
    Kaasu, neste tai kiinteä aine, jossa mekaaninen aaltoliike etenee rakenneosien vuorovaikutusten välityksellä.
    Pulssi
    Yksittäinen häiriö, joka etenee väliaineessa.
    Aallonpituus
    Kahden vierekkäisen samassa värähdysvaiheessa olevan kohdan välinen etäisyys.
    Aallon etenemisnopeus
    Nopeus, jolla häiriö etenee väliaineessa; se riippuu väliaineen ominaisuuksista.
    Aaltoliikkeen perusyhtälö
    Aallon etenemisnopeuden, taajuuden ja aallonpituuden yhteys.$$v = \lambda f$$

    Kaikki moduulin kortit →

    Tehtävät

    Taso 1 · perusharjoitus 5 tehtävää

    Yksi kaava tai yksi päättelyaskel. Ydintehtävät ensin, loput lisäharjoitusta.

    1. Tehtävä 10-1Ydintehtävä

      Pitkän kierrejousen päätä heilutetaan sivuttain, ja jousessa etenee poikittainen aalto, jonka taajuus on $4{,}0\,\text{Hz}$ ja aallonpituus $0{,}75\,\text{m}$. Kuinka suuri on aallon nopeus?

      m/s
      Vastaus

      $3{,}0\,\text{m/s}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      taajuus $f = 4{,}0\,\text{Hz}$, aallonpituus $\lambda = 0{,}75\,\text{m}$

      Kysytty

      aallon nopeus $v$

      Periaate

      Yhden jaksonajan aikana aalto etenee yhden aallonpituuden, joten nopeus on aallonpituus kertaa taajuus. Perusyhtälö pätee kaikille jaksollisille aalloille, myös jousessa etenevälle poikittaiselle aallolle.

      Kaava

      $v = f\lambda$

      Muunnokset

      Ei tarvita: $1\,\text{Hz} = 1\,\text{s}^{-1}$, joten $\text{Hz} \cdot \text{m} = \text{m/s}$.

      Sijoitus

      $v$$= 4{,}0\,\text{s}^{-1} \cdot 0{,}75\,\text{m}$
      $= 3{,}0\,\text{m/s}$

      Vastaus

      $3{,}0\,\text{m/s}$

      Kaksi merkitsevää numeroa kuten taajuudessa $4{,}0\,\text{Hz}$ ja aallonpituudessa $0{,}75\,\text{m}$.

      Järkevyys

      Jaksonaika on

      $T$$= \dfrac{1}{4{,}0\,\text{Hz}}$
      $= 0{,}25\,\text{s}$

      ja $0{,}75\,\text{m} : 0{,}25\,\text{s} = 3{,}0\,\text{m/s}$ antaa saman. Muutama metri sekunnissa on tavallinen nopeus venytetyssä jousessa: aalto näkyy etenevän silmin seurattavalla vauhdilla.

    2. Tehtävä 10-2Ydintehtävä

      Kaiutin soittaa sävelen, jonka taajuus on $440\,\text{Hz}$. Ääni etenee huoneen ilmassa nopeudella $343\,\text{m/s}$. Kuinka pitkä on äänen aallonpituus?

      m
      Vastaus

      $0{,}780\,\text{m}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      taajuus $f = 440\,\text{Hz}$, äänen nopeus ilmassa $v = 343\,\text{m/s}$

      Kysytty

      aallonpituus $\lambda$

      Periaate

      Ääni on ilmassa etenevä pitkittäinen aalto, ja sillekin pätee aaltoliikkeen perusyhtälö: yhden jaksonajan aikana ääni etenee yhden aallonpituuden. Taajuus on kaiuttimen kalvon värähtelyn taajuus.

      Kaava

      $v = f\lambda$, josta $\lambda = \dfrac{v}{f}$

      Muunnokset

      Ei tarvita:

      $\tfrac{\text{m/s}}{\text{Hz}}$$= \tfrac{\text{m/s}}{1/\text{s}}$
      $= \text{m}$

      Sijoitus

      $\lambda$$= \dfrac{343\,\text{m/s}}{440\,\text{s}^{-1}}$
      $= 0{,}7795\,\text{m}$

      Vastaus

      $0{,}780\,\text{m}$

      Kolme merkitsevää numeroa kuten nopeudessa $343\,\text{m/s}$ ja taajuudessa $440\,\text{Hz}$.

      Järkevyys

      Arvio pyöreillä luvuilla: $\tfrac{350\,\text{m/s}}{450\,\text{Hz}} \approx 0{,}8\,\text{m}$. Kuultavan äänen aallonpituudet ovat ilmassa noin kahdesta senttimetristä yli kymmeneen metriin, joten vajaan metrin aallonpituus sopii keskialueen sävelelle.

    3. Tehtävä 10-3

      Kireässä narussa aalto etenee nopeudella $6{,}0\,\text{m/s}$, ja aallon harjojen väli on $1{,}5\,\text{m}$. Millä taajuudella narun päätä heilutetaan?

      Hz
      Vastaus

      $4{,}0\,\text{Hz}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      aallon nopeus $v = 6{,}0\,\text{m/s}$, harjojen väli eli aallonpituus $\lambda = 1{,}5\,\text{m}$

      Kysytty

      taajuus $f$

      Periaate

      Kahden peräkkäisen harjan väli on aallonpituus. Narun jokainen kohta värähtelee samalla taajuudella kuin käsi, joten aallon taajuus on heilutuksen taajuus, ja se saadaan perusyhtälöstä.

      Kaava

      $v = f\lambda$, josta $f = \dfrac{v}{\lambda}$

      Muunnokset

      Ei tarvita:

      $\tfrac{\text{m/s}}{\text{m}}$$= \text{s}^{-1}$
      $= \text{Hz}$

      Sijoitus

      $f$$= \dfrac{6{,}0\,\text{m/s}}{1{,}5\,\text{m}}$
      $= 4{,}0\,\text{s}^{-1}$
      $= 4{,}0\,\text{Hz}$

      Vastaus

      $4{,}0\,\text{Hz}$

      Kaksi merkitsevää numeroa kuten lähtötiedoissa $6{,}0\,\text{m/s}$ ja $1{,}5\,\text{m}$.

      Järkevyys

      Neljä heilautusta sekunnissa on nopeaa mutta käsin mahdollista. Tarkistus: sekunnissa aalto etenee $6{,}0\,\text{m}$, ja tälle matkalle mahtuu $6{,}0\,\text{m} : 1{,}5\,\text{m} = 4$ aallonpituutta eli neljä sekunnissa syntynyttä harjaa.

    4. Tehtävä 10-4

      Uimahallin aaltoaltaan kone tekee aaltoja, joiden jaksonaika on $2{,}5\,\text{s}$ ja aallonpituus $4{,}0\,\text{m}$. Kuinka suurella nopeudella aallot etenevät?

      m/s
      Vastaus

      $1{,}6\,\text{m/s}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      jaksonaika $T = 2{,}5\,\text{s}$, aallonpituus $\lambda = 4{,}0\,\text{m}$

      Kysytty

      aaltojen nopeus $v$

      Periaate

      Yhden jaksonajan aikana aalto etenee yhden aallonpituuden. Siksi nopeus on aallonpituus jaettuna jaksonajalla; tämä perusyhtälön muoto sopii, koska tehtävässä on annettu jaksonaika eikä taajuutta.

      Kaava

      $v = \dfrac{\lambda}{T}$

      Muunnokset

      Ei tarvita: aallonpituus on metreinä ja jaksonaika sekunteina.

      Sijoitus

      $v$$= \dfrac{4{,}0\,\text{m}}{2{,}5\,\text{s}}$
      $= 1{,}6\,\text{m/s}$

      Vastaus

      $1{,}6\,\text{m/s}$

      Kaksi merkitsevää numeroa kuten jaksonajassa $2{,}5\,\text{s}$ ja aallonpituudessa $4{,}0\,\text{m}$.

      Järkevyys

      Saman saa taajuuden kautta:

      $f$$= \tfrac{1}{2{,}5\,\text{s}}$
      $= 0{,}40\,\text{Hz}$
      $v$$= 0{,}40\,\text{Hz} \cdot 4{,}0\,\text{m}$
      $= 1{,}6\,\text{m/s}$

      Hieman kävelyä nopeampi vauhti sopii aaltoaltaan rauhallisille aalloille.

    5. Tehtävä 10-5

      Narussa aalto etenee nopeudella $4{,}8\,\text{m/s}$, ja sen aallonpituus on $1{,}2\,\text{m}$. Kuinka suuri on aallon jaksonaika?

      s
      Vastaus

      $0{,}25\,\text{s}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      aallon nopeus $v = 4{,}8\,\text{m/s}$, aallonpituus $\lambda = 1{,}2\,\text{m}$

      Kysytty

      jaksonaika $T$

      Periaate

      Jaksonaika on aika, jossa aalto etenee yhden aallonpituuden, joten se saadaan perusyhtälön muodosta $v = \tfrac{\lambda}{T}$. Jaksonaika on myös narun jokaisen kohdan yhden täyden värähdyksen aika.

      Kaava

      $v = \dfrac{\lambda}{T}$, josta $T = \dfrac{\lambda}{v}$

      Muunnokset

      Ei tarvita: $\tfrac{\text{m}}{\text{m/s}} = \text{s}$.

      Sijoitus

      $T$$= \dfrac{1{,}2\,\text{m}}{4{,}8\,\text{m/s}}$
      $= 0{,}25\,\text{s}$

      Vastaus

      $0{,}25\,\text{s}$

      Kaksi merkitsevää numeroa kuten nopeudessa $4{,}8\,\text{m/s}$ ja aallonpituudessa $1{,}2\,\text{m}$.

      Järkevyys

      Taajuus on

      $f$$= \dfrac{1}{0{,}25\,\text{s}}$
      $= 4{,}0\,\text{Hz}$

      ja $4{,}0\,\text{Hz} \cdot 1{,}2\,\text{m} = 4{,}8\,\text{m/s}$, kuten annettiin. Aallonpituus on neljäsosa siitä matkasta, jonka aalto etenee sekunnissa, joten jakson on oltava neljäsosasekunti.

    Taso 2 · soveltava harjoitus 4 tehtävää

    Kaksi vaihetta, mittausaineiston käsittely, yksikkömuunnos tai kaavan ratkaiseminen. Ydintehtävät ensin, loput lisäharjoitusta.

    1. Tehtävä 10-6Ydintehtävä

      Kuvaajassa on kireän narun yhden kohdan poikkeama ajan funktiona, kun narun päätä heilutetaan tasaisesti. Narun valokuvasta on mitattu, että peräkkäisten harjojen väli on $1{,}0\,\text{m}$. Lue tarvittava arvo kuvaajasta.

      Kuinka suuri on aallon nopeus?

      $-5$
      $0$
      $5$
      $t\ (\text{s})$
      $y\ (\text{cm})$
      $0{,}4$
      $0{,}8$
      $1{,}2$
      $1{,}6$
      $2$
      m/s
      Vastaus

      $2{,}5\,\text{m/s}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      narun yhden kohdan $(t, y)$-kuvaaja (kuva), harjojen väli valokuvassa eli aallonpituus $\lambda = 1{,}0\,\text{m}$

      Kysytty

      aallon nopeus $v$

      Periaate

      Yhden kohdan kuvaajan vaaka-akselilla on aika, joten kahden samanlaisen kohdan väli on jaksonaika $T$. Aallonpituus tulee valokuvasta. Yhden jaksonajan aikana aalto etenee yhden aallonpituuden.

      Kuvaajan lukeminen

      Käyrä leikkaa aika-akselin ylöspäin noustessaan hetkillä $0$, $0{,}4\,\text{s}$, $0{,}8\,\text{s}$, … , $2{,}0\,\text{s}$. Aikavälillä $2{,}0\,\text{s}$ on siis $5$ täyttä värähdystä, joten

      $T$$= 2{,}0\,\text{s} : 5$
      $= 0{,}40\,\text{s}$

      Kaava

      $v = \dfrac{\lambda}{T}$

      Muunnokset

      Ei tarvita: aallonpituus on metreinä ja jaksonaika sekunteina. Poikkeaman senttimetrejä ei tarvita, koska amplitudi ei vaikuta nopeuteen.

      Sijoitus

      $v$$= \dfrac{1{,}0\,\text{m}}{0{,}40\,\text{s}}$
      $= 2{,}5\,\text{m/s}$

      Vastaus

      $2{,}5\,\text{m/s}$

      Kaksi merkitsevää numeroa kuten aallonpituudessa $1{,}0\,\text{m}$ ja kuvaajasta luetussa jaksonajassa $0{,}40\,\text{s}$.

      Järkevyys

      Taajuus on

      $f$$= \tfrac{1}{0{,}40\,\text{s}}$
      $= 2{,}5\,\text{Hz}$

      ja

      $f\lambda$$= 2{,}5\,\text{Hz} \cdot 1{,}0\,\text{m}$
      $= 2{,}5\,\text{m/s}$

      antaa saman. Huippujen väli $0{,}40\,\text{s}$ ei ole aallonpituus, koska se on aikaa.

    2. Tehtävä 10-7Ydintehtävä

      Opiskelija heiluttaa pitkän hyppynarun päätä tasaisesti ja laskee, että käsi tekee $18$ täyttä heilahdusta $12{,}0$ sekunnissa. Narun harjojen väli on $1{,}40\,\text{m}$. Kuinka suuri on aallon nopeus narussa?

      m/s
      Vastaus

      $2{,}10\,\text{m/s}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      $N = 18$ täyttä heilahdusta ajassa $t = 12{,}0\,\text{s}$, harjojen väli eli aallonpituus $\lambda = 1{,}40\,\text{m}$

      Kysytty

      aallon nopeus $v$

      Periaate

      Narun jokainen kohta värähtelee käden taajuudella, joten aallon taajuus on käden heilahdusten määrä sekunnissa. Nopeus saadaan sitten perusyhtälöstä, koska yhden jakson aikana aalto etenee yhden aallonpituuden.

      Kaava

      $f = \dfrac{N}{t}$ ja $v = f\lambda$, joten $v = \dfrac{N\lambda}{t}$

      Muunnokset

      Ei tarvita: $\text{s}^{-1} = \text{Hz}$ ja $\text{Hz} \cdot \text{m} = \text{m/s}$.

      Sijoitus

      $f$$= \dfrac{18}{12{,}0\,\text{s}}$
      $= 1{,}5\,\text{Hz}$
      $v$$= 1{,}5\,\text{s}^{-1} \cdot 1{,}40\,\text{m}$
      $= 2{,}10\,\text{m/s}$

      Vastaus

      $2{,}10\,\text{m/s}$

      Kolme merkitsevää numeroa kuten ajassa $12{,}0\,\text{s}$ ja aallonpituudessa $1{,}40\,\text{m}$; heilahdusten määrä $18$ on laskettu lukumäärä, joten se ei rajoita merkitseviä numeroita.

      Järkevyys

      Jaksonaika on

      $T$$= \tfrac{12{,}0\,\text{s}}{18}$
      $= 0{,}667\,\text{s}$

      ja $\tfrac{1{,}40\,\text{m}}{0{,}667\,\text{s}} = 2{,}10\,\text{m/s}$. Yksikkökin täsmää: $\text{s}^{-1} \cdot \text{m} = \text{m/s}$, ja muutama metri sekunnissa on hyppynarulle tavallinen nopeus.

    3. Tehtävä 10-8

      Altaan reunalla olevan kaiuttimen ääni etenee ilmassa nopeudella $343\,\text{m/s}$, ja sen aallonpituus ilmassa on $0{,}750\,\text{m}$. Ääni jatkaa veteen, jossa se etenee nopeudella $1480\,\text{m/s}$.

      Kuinka pitkä on äänen aallonpituus vedessä?

      m
      Vastaus

      $3{,}24\,\text{m}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      ilmassa $v_\text{i} = 343\,\text{m/s}$ ja $\lambda_\text{i} = 0{,}750\,\text{m}$, vedessä $v_\text{v} = 1480\,\text{m/s}$

      Kysytty

      aallonpituus vedessä $\lambda_\text{v}$

      Periaate

      Kun aalto siirtyy väliaineesta toiseen, taajuus säilyy, koska vettä heiluttaa ilman värähtely rajapinnalla samassa tahdissa. Nopeus muuttuu väliaineen mukana, joten aallonpituus muuttuu. Kummassakin väliaineessa pätee $v = f\lambda$.

      Kaava

      $f$$= \dfrac{v_\text{i}}{\lambda_\text{i}}$
      $\lambda_\text{v}$$= \dfrac{v_\text{v}}{f}$

      joten

      $\lambda_\text{v}$$= \dfrac{v_\text{v}\lambda_\text{i}}{v_\text{i}}$

      Muunnokset

      Ei tarvita: nopeudet ovat samassa yksikössä, joten niiden suhde on yksikötön, ja aallonpituus on metreinä.

      Sijoitus

      $f$$= \dfrac{343\,\text{m/s}}{0{,}750\,\text{m}}$
      $= 457{,}3\,\text{Hz}$
      $\lambda_\text{v}$$= \dfrac{1480\,\text{m/s}}{457{,}3\,\text{s}^{-1}}$
      $= 3{,}236\,\text{m}$

      Vastaus

      $3{,}24\,\text{m}$

      Kolme merkitsevää numeroa kuten lähtötiedoissa $343\,\text{m/s}$, $0{,}750\,\text{m}$ ja $1480\,\text{m/s}$.

      Järkevyys

      Ääni etenee vedessä noin $\tfrac{1480}{343} \approx 4{,}3$ kertaa nopeammin kuin ilmassa, joten samalla taajuudella aallonpituus on noin $4{,}3$-kertainen: $4{,}3 \cdot 0{,}750\,\text{m} \approx 3{,}2\,\text{m}$.

    4. Tehtävä 10-9

      Maanjäristyksen pitkittäinen aalto etenee kallioperässä. Seismometri mittaa aallon taajuudeksi $0{,}50\,\text{Hz}$, ja aallonpituus on $12\,\text{km}$. Kuinka suuri on aallon nopeus metreinä sekunnissa?

      m/s
      Vastaus

      $6{,}0 \cdot 10^{3}\,\text{m/s}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      taajuus $f = 0{,}50\,\text{Hz}$, aallonpituus $\lambda = 12\,\text{km}$

      Kysytty

      aallon nopeus $v$ metreinä sekunnissa

      Periaate

      Maanjäristyksen pitkittäinen aalto on mekaaninen aalto, jossa kallio värähtelee etenemissuunnan suuntaisesti. Sillekin pätee aaltoliikkeen perusyhtälö, koska yhden jaksonajan aikana aalto etenee yhden aallonpituuden.

      Kaava

      $v = f\lambda$

      Muunnokset

      $\lambda$$= 12\,\text{km}$
      $= 12 \cdot 1000\,\text{m}$
      $= 12\,000\,\text{m}$

      Sijoitus

      $v$$= 0{,}50\,\text{s}^{-1} \cdot 12\,000\,\text{m}$
      $= 6000\,\text{m/s}$

      Vastaus

      $6{,}0 \cdot 10^{3}\,\text{m/s}$

      Eli $6000\,\text{m/s}$, kaksi merkitsevää numeroa kuten taajuudessa $0{,}50\,\text{Hz}$ ja aallonpituudessa $12\,\text{km}$.

      Järkevyys

      Jaksonaika on

      $T$$= \tfrac{1}{0{,}50\,\text{Hz}}$
      $= 2{,}0\,\text{s}$

      ja $12\,\text{km}$ kahdessa sekunnissa on $6\,\text{km/s}$. Ääni etenee kiinteässä kalliossa paljon nopeammin kuin ilmassa ($343\,\text{m/s}$), joten kilometrejä sekunnissa on uskottava nopeus.

    Taso 3 · haastava 3 tehtävää

    Valinnaisia: soveltamista, kaksi ideaa yhdessä tai uusi tilanne, jossa päättelet itse.

    1. Tehtävä 10-10

      Narusta otetaan kaksi valokuvaa $0{,}15\,\text{s}$:n välein.

      Ensimmäisessä kuvassa eräs harja on kohdassa $x = 0{,}60\,\text{m}$ ja toisessa kohdassa $x = 1{,}05\,\text{m}$, ja harja ei ole kuvien välillä ehtinyt kulkea yhtä aallonpituutta. Kummassakin kuvassa peräkkäisten harjojen väli on $1{,}20\,\text{m}$.

      Millä taajuudella narun päätä heilutetaan? Perustele myös, miksi harjan siirtymä ei ole narun aineen siirtymä.

      Hz
      Vastaus

      $2{,}5\,\text{Hz}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      harja kohdassa $x_1 = 0{,}60\,\text{m}$ ja $\Delta t = 0{,}15\,\text{s}$ myöhemmin kohdassa $x_2 = 1{,}05\,\text{m}$; harja ei ole kulkenut yhtä aallonpituutta; harjojen väli $\lambda = 1{,}20\,\text{m}$

      Kysytty

      heilutuksen taajuus $f$

      Periaate

      Harja on aallon osa, joten se etenee aallon nopeudella $v = \tfrac{\Delta x}{\Delta t}$. Koska harja on kulkenut alle aallonpituuden, kuvissa on sama harja eikä jo seuraava. Harjan siirtymä ei ole narun aineen siirtymä: narun kohdat liikkuvat vain ylös ja alas, ja harja on aina siinä kohdassa, joka sillä hetkellä on ylimmässä asemassaan. Taajuus saadaan perusyhtälöstä.

      Kaava

      $v = \dfrac{x_2 - x_1}{\Delta t}$ ja $v = f\lambda$, joten

      $f$$= \dfrac{x_2 - x_1}{\lambda\,\Delta t}$

      Muunnokset

      Ei tarvita: kaikki pituudet ovat metreinä ja aika sekunteina.

      Sijoitus

      $v$$= \dfrac{1{,}05\,\text{m} - 0{,}60\,\text{m}}{0{,}15\,\text{s}}$
      $= \dfrac{0{,}45\,\text{m}}{0{,}15\,\text{s}}$
      $= 3{,}0\,\text{m/s}$
      $f$$= \dfrac{3{,}0\,\text{m/s}}{1{,}20\,\text{m}}$
      $= 2{,}5\,\text{Hz}$

      Vastaus

      $2{,}5\,\text{Hz}$

      Kaksi merkitsevää numeroa, koska aika $0{,}15\,\text{s}$ ja siirtymä $0{,}45\,\text{m}$ tunnetaan kahden numeron tarkkuudella.

      Järkevyys

      Jaksonaika on

      $T$$= \tfrac{1}{2{,}5\,\text{Hz}}$
      $= 0{,}40\,\text{s}$

      joten kuvien väli $0{,}15\,\text{s}$ on alle jakson, ja harja eteni $0{,}45\,\text{m}$ eli alle aallonpituuden $1{,}20\,\text{m}$, kuten oletettiin.

    2. Tehtävä 10-11

      Pitkän rautatiekiskon toiseen päähän lyödään vasaralla.

      Kiskon toisessa päässä oleva kuulija kuulee kaksi pamausta: ensin kiskoa pitkin tulleen äänen ja $0{,}50\,\text{s}$ myöhemmin ilman kautta tulleen äänen. Ääni etenee teräksessä nopeudella $5100\,\text{m/s}$ ja ilmassa $340\,\text{m/s}$.

      Kuinka pitkä on kisko? Perustele, miksi sama vasaran isku synnyttää kaksi eri aikaan saapuvaa ääntä.

      m
      Vastaus

      $1{,}8 \cdot 10^{2}\,\text{m}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      aikaero $\Delta t = 0{,}50\,\text{s}$, äänen nopeus teräksessä $v_\text{t} = 5100\,\text{m/s}$ ja ilmassa $v_\text{i} = 340\,\text{m/s}$

      Kysytty

      kiskon pituus $d$

      Periaate

      Vasaran isku synnyttää äänen sekä kiskoon että ilmaan. Aallon nopeus riippuu väliaineesta, joten kumpikin ääni kulkee saman matkan $d$ eri nopeudella ja saapuu eri aikaan: teräksessä kulkenut ääni ensin. Kumpikin etenee tasaisella nopeudella, joten kulkuaika on $\tfrac{d}{v}$, ja aikaero on kulkuaikojen erotus.

      Kaava

      $\Delta t$$= \dfrac{d}{v_\text{i}} - \dfrac{d}{v_\text{t}}$

      josta

      $d$$= \dfrac{\Delta t}{\dfrac{1}{v_\text{i}} - \dfrac{1}{v_\text{t}}}$

      Muunnokset

      Ei tarvita: nopeudet ovat metreinä sekunnissa ja aika sekunteina.

      Sijoitus

      $d$$= \dfrac{0{,}50\,\text{s}}{\dfrac{1}{340\,\text{m/s}} - \dfrac{1}{5100\,\text{m/s}}}$
      $= \dfrac{0{,}50\,\text{s}}{0{,}002\,745\,\text{s/m}}$
      $= 182{,}1\,\text{m}$

      Vastaus

      $1{,}8 \cdot 10^{2}\,\text{m}$

      Eli noin $180\,\text{m}$, kaksi merkitsevää numeroa, koska aikaero $0{,}50\,\text{s}$ tunnetaan kahden numeron tarkkuudella.

      Perustelu

      Sama isku synnyttää äänen sekä kiskoon että ilmaan, ja ääni etenee teräksessä paljon nopeammin kuin ilmassa. Kumpikin ääni kulkee saman matkan, mutta teräksessä kulkenut ehtii perille ensin, joten kuulija kuulee kaksi pamausta.

      Järkevyys

      Ilmassa matka kestää $\tfrac{182\,\text{m}}{340\,\text{m/s}} = 0{,}536\,\text{s}$ ja teräksessä $\tfrac{182\,\text{m}}{5100\,\text{m/s}} = 0{,}036\,\text{s}$; erotus on $0{,}50\,\text{s}$. Teräksen ääni on niin nopea, että pituus on vain hieman enemmän kuin ilman ääni kulkisi puolessa sekunnissa ($170\,\text{m}$).

    3. Tehtävä 10-12

      Stadionin katsomossa kiertää aalto: jokainen katsoja nousee seisomaan $0{,}050\,\text{s}$ myöhemmin kuin hänen vieressään istuva ja istuutuu sitten takaisin.

      Vierekkäisten istuinten väli on $0{,}55\,\text{m}$, ja katsomon kiertävän rivin pituus on $440\,\text{m}$.

      Kuinka kauan kestää, että aalto kiertää katsomon kerran ympäri? Perustele, miksi aalto etenee, vaikka yksikään katsoja ei vaihda paikkaa.

      s
      Vastaus

      $40\,\text{s}$

      Näytä ratkaisu

      Annettu

      viive vierustoveriin $\Delta t = 0{,}050\,\text{s}$, istuinten väli $\Delta x = 0{,}55\,\text{m}$, rivin pituus $s = 440\,\text{m}$

      Kysytty

      aika $t$, jossa aalto kiertää katsomon kerran

      Periaate

      Katsomon aalto on mallina aaltoliikkeestä: jokainen katsoja toistaa vierustoverinsa liikkeen pienellä viiveellä, joten nouseminen eli häiriö etenee rivissä, vaikka katsojat pysyvät paikoillaan ja vain nousevat ja istuvat. Häiriö etenee yhden istuinvälin ajassa $\Delta t$, joten sen nopeus on vakio ja kierrokseen kuluva aika on matka jaettuna nopeudella.

      Kaava

      $v = \dfrac{\Delta x}{\Delta t}$ ja $s = vt$, joten

      $t$$= \dfrac{s}{v}$
      $= \dfrac{s\,\Delta t}{\Delta x}$

      Muunnokset

      Ei tarvita: pituudet ovat metreinä ja aika sekunteina.

      Sijoitus

      $v$$= \dfrac{0{,}55\,\text{m}}{0{,}050\,\text{s}}$
      $= 11\,\text{m/s}$
      $t$$= \dfrac{440\,\text{m}}{11\,\text{m/s}}$
      $= 40\,\text{s}$

      Vastaus

      $40\,\text{s}$

      Kaksi merkitsevää numeroa kuten viiveessä $0{,}050\,\text{s}$ ja istuinvälissä $0{,}55\,\text{m}$.

      Järkevyys

      Rivissä on $440\,\text{m} : 0{,}55\,\text{m} = 800$ katsojaa, ja jokainen lisää $0{,}050\,\text{s}$ viivettä: $800 \cdot 0{,}050\,\text{s} = 40\,\text{s}$. Noin $11\,\text{m/s}$ on lähellä stadioneilla havaittua aallon nopeutta, ja yksittäinen katsoja liikkuu vain noin metrin ylös ja alas.