Cukríkový vlnostroj

Vlny prenášajú energiu a informácie bez prenosu hmoty. Rozlišujeme mechanické a elektromagnetické vlnenie. Náš vlnostroj demonštruje šírenie mechanických vĺn a je aj chutný.

Videonávod tohto experimentu, ako aj všetkých predchádzajúcich, nájdete na webovej stránke video.matfyzjein.sk/experimenty.

Pomôcky

Lepiaca páska, drevené špajdle (20 až 100 ks), gumové cukríky (40 až 200 ks, dvojnásobok počtu špajdlí), dva body úchytu (napr. drevené palice)

Postup

Lepiacu pásku natiahneme medzi dva body úchytu lepiacou stranou nahor. Každých 5 cm nalepíme na ňu špajdľu, tak aby stred špajdle ležal na stredovej osi pásky a aby špajdľa bola na túto os kolmá. Pásku zhora prelepíme ďalším kusom pásky, lepiacimi stranami k sebe tak, aby sme zafixovali špajdle na mieste. Vznikne stonožka s telom z pásky a nohami zo špajdlí. Na ich konce nasadíme gumové cukríky, ideálne rovnakej hmotnosti pre estetickosť aj symetrickosť celej sústavy.

Realizácia

Umiestnením cukríkov meníme vlastnosti sústavy. Zaujímavé javy môžeme pozorovať aj vtedy, keď sme ich umiestnili iba na prvú polovicu špajdlí a druhú nechali prázdnu.

Pozorovanie

Aj bez cukríkov vlnostroj pekne funguje – po vychýlení špajdlí pozorujeme šírenie, odraz a návrat vzruchu. Cukríky na koncoch znížia frekvenciu vlastných kmitov každej špajdle a spomalia vlnenie, čo ho viac zviditeľní. Pri polovičnom obsadení sa mení rýchlosť vlny pri prechode z prvej polovice do druhej. Napodobňuje to zmenu frekvencie vlnenia pri prechode prostrediami.

Na prechode medzi dvoma prostrediami môžeme pozorovať čiastočný odraz vlnenia. Pri ňom sa časť energie spotrebuje na vlnenie druhej polovice sústavy a časť sa na prechode odrazí naspäť do pôvodnej časti, odkiaľ vzruch vzišiel. Možno pozorovať aj skladanie vĺn, ak vypustíme vzruchy z dvoch strán proti sebe. Amplitúdy vlnení idúcich oproti sebe sa v určitom momente sčítajú a potom pokračuje každý svojím pôvodným smerom.

Ak sústava nereaguje ideálne a dochádza k rýchlej strate výchylky vlnenia, pomôže pásku celej sústavy jemne napnúť.

Vysvetlenie

Každá vlna má viacero vlastností, základnou je jej frekvencia, ktorá určuje, ako rýchlo sa výchylky opakujú. Frekvencia f sa udáva v hertzoch (Hz = 1/s) a je definovaná ako počet cyklov za sekundu. S ňou súvisí vlnová dĺžka λ, čo je najkratšia vzdialenosť medzi dvoma miestami s rovnakou výchylkou (udáva sa v metroch). Rýchlosť vlny je daná súčinom medzi frekvenciou a vlnovou dĺžkou v = λ ⋅ f (m/s).

Ďalšou dôležitou vlastnosťou vĺn je amplitúda, ktorá predstavuje maximálne vychýlenie bodu od jeho rovnovážneho stavu a určuje energiu vlny. Čím je amplitúda väčšia, tým je energia vlny vyššia. Pri zvukových vlnách to zodpovedá hlasitosti zvuku.

Rýchlosť šírenia mechanických vĺn závisí od prostredia, materiálu, hustoty a teploty, tlaku či ťahu. Napríklad rýchlosť zvuku vo vzduchu je pri izbovej teplote 340 m/s, vo vode 1 500 m/s a v železnej koľajnici až 5 000 m/s. Pri gitare závisí rýchlosť šírenia od napätia struny.

Naša sústava má teda istú konštantnú rýchlosť, ktorú však vieme meniť pridávaním hmotností na konce špajdlí alebo napätím na stredovej páske. Prechod medzi cukríkovou a bezcukríkovou časťou modeluje prechod vlny medzi dvoma prostrediami, ako aj odraz vlnenia na ich rozhraní.

Autorka článku: PaedDr. Soňa Gažáková, PhD.
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Foto a video: Stanislav Griguš
Ak experiment vyskúšate, svoje realizácie môžete posielať na adresu sona.gazakova@fmph.uniba.sk.