Lained: sissejuhatus. Helilained 1. osa

Lained on energia levimine võnkeprotsessina läbi mateeria ja tühjuse. Laine kannab kineetilist energiat kui ka potentsiaalset energiat ja mateeria osakesed muudavad  laines perioodiliselt asendit, liikudes mingi tasakaaluasendi suhtes ühes ja teises suunas. Laine-liikumine edastab energiat võnkeprotsessi levimisena.

Laineid iseloomustavad…

Amplituut – võnkuva osakese suurim hälve tasakaaluasendist ühele poole. Suurem amplituut tähendab, et laine edastab rohkem energiat.

Sagedus – võngete arv ajaühikus. Sagedus on täisvõngete (ühest laineharjast järgmiseni) arv sekundis. Seda mõõdetakse hertsides (Hz- Heinrich Hertzi järgi).

Pikilaine – laine, milles toimub võnkumine selle levimise suunas. Helilaine on pikilaine. Selle puhul võnguvad õhu molekulid edasi ja tagasi laine levimisega samas suunas. Molekulid lähenevad ja eemalduvad järjekindlalt üksteisest ning nii tekivad jadamisi suurema ja väiksema rõhuga piirkonnad, mida nimetatakse tihenduseks ja hõrenduseks.

Ristlaine – laine, mille võnkumine toimub selle levimise ristsuunas. Nööri vibutamisel tekib ristlaine ja vee pinnal esineb samuti ristlaine. Kui ristlaine levib mingis suunas, võnguvad nööri või vee osakesed igas punktis laine levimise suunaga risti.

Lainepikkus – ühe võnkesõlme (või –harja) kaugus oma naabrist. Kindla sagedusega laine levimisel osutub kõigi laineharjade vaheline kaugus samaks. See vahemaa ongi lainepikkus. Suurema sagedusega võnkumise puhul osutub lainepikkus lühemaks ja madalama sageduse puhul pikemaks.

Joonis1

Joonis 1. Laineid iseloomustavad mõisted.

Helilained

Helilaine – heli levimisel gaasis, vedelikus või tahkes aines tekkiv võnkliikumine. Heliallikas tekitab ümbritsevas keskkonnas õhuvõnkumise, mis levib vahelduva rõhuga aladena kiirusega umbes 340 m/s. Seega koosneb helilaine normaalsest suurema rõhuga tihendusest ja neile järgnevatest väiksema rõhuga hõrendustest. Heli on  kuuldav siis, kui need tihendused ja hõrendused satuvad kõrva. Helilaine ei kandu edasi tühjuses.

Helikõrgus – helist saadav mulje, mis oleneb helivõnkumise sagedusest. Tajutav helikõrgus oleneb helivõnkumise sagedusest. Kõrgema sagedusega ja vastavalt lühema lainepikkusega heli on kõrgem ja vastupidi.

Helitugevus – heli tajutav valjus. Heli tugevus oleneb rõhu muutustest helilaines. Rõhu suuremad muutused (suurem amplituud) annavad valjuma ja väikesed nõrgema heli. Helitugevust mõõdetakse detsibellides (dB).

Kaja – heli kordumine helilaine peegeldumisest. Kaja tekib siis, kui helilaine tabab mingit takistust, näiteks suurt ehitist või kaljurahnu ning peegeldub sellest ja jõuab kuulajani vahetult saabunud helilainest veidi hiljem.

joonis2

Joonis 2. Helilaine tugevus ja kõrgus.

Helilained jaotatakse vastavalt lainepikkusele kolmeks rühmaks. Kõige pikema laine-pikkusega on infraheli, keskele jääb akustiline heli ning lühim lainepikkus on ultraheli.

Kasutatud kirjandus:

Hy Ruchlis. Füüsika vannis. Tallinn, 1977

Perelman. Huvitav füüsika I ja II. Tallinn, 1983

Beattie. Sarateadlase 101 uskumatut katset. Tänapäev, 2009

Ardley. Lühientsüklopeedia. Täppisteadused. Koolibri, 2000

Loe edasi

Helilained 2. osa

Helilained jaotatakse vastavalt lainepikkusele kolmeks rühmaks. Kõige pikema laine-pikkusega on infraheli, keskele jääb akustiline heli ning lühim lainepikkus on ultraheli.

Infraheli

Sõna infra tähendab ladina keeles „all“ ning see tähendab seda, et infraheli sagedus jääb alla kuuldava heli (alla 20 Hz). Kuigi infraheli võnkumised avaldavad inimesele tugevat mõju,  ei tajuta seda helina. Infraheliga kaasneb peapööritus, valu kõrvades, tugev väsimus ja seletamatu hirmutunne.

Suurbritannia teadlased tegid 2003. aastal huvitava katse, kus nad lasid kontsertidel osadel lugudel taustaks mängida 17 Hz tooni. 22% kuulajatest tundis peale 17 Hz-ga palasid suurt õudu, närvilisust ja olid ärritatud. Veel ei osata seletada, miks inimestel sellised nähtused ilmnevad, kuna seda ei tajuta teadlikult. On pakutud välja, et infraheli võib olla põhjuseks, miks mõned  kohad „kummitavad“.  Hirmu tekitamiseks on infraheli osavalt ära kasutatud ka filminduses, näiteks filmis „Irreversible“, on seda sagedust „kuulda“.

Lisaks sellele veidrale nähtusele on infraheliga seotud veel üks kummaline seos. Loomad justkui saaksid enne inimesi teada, et maavärin või tsunami on tulekul. Kuidas on see võimalik? Aleksei Turovski arvab, et üheks seletuseks on infraheli tajumine. Kui näiteks tsunami on tulekul, siis vesi liigub palju aeglasemalt kui infraheli ning loomadel on aega põgeneda. Infraheli tajuvad näiteks delfiinid ja elevandid. Kui elevandid hakkavad  juba liikuma, siis järgnevad neile ka ülejäänud  loomad.

Akustiline heli

Inimene kuuleb vahemikus 20 – 20 000 Hz. Mida suurem on sagedus, seda kõrgemalt kuuleme. Ära tuleb märkida ka see, et vanusega inimese kuulmise vahemik väheneb.

Kui te kuulete suminat, kas te tunnete ära, mis putukas seda tekitab? Kui ma ise sellele küsimusele mõtlen, siis ma arvan, et kindlasti teen ma vahet kärbse, herilase ja sääse suminal. Mis vahe siis neil on? Vastaksin kohe, et sääsk näiteks piniseb hästi kõrgelt. Tõepoolest, sääskede vehkimine tiivakestega, tekitab päris kõrge heli. Huvitav on see, et tiivaliigutuste arv on peaaegu igal putukal muutumatu. Toakärbes tekitab ftooni ning sellele vastab 352 tiivalööki sekundis. Järelikult sääsk peab tegema palju rohkem tiivalööke sekundis ja nii ongi. Sääsk teeb sekundis 500-600 tiivalööki.

Mesilaste puhul ei ole aga asi nii lihtne, sest nemad ei jaksa õietolmukoormaga nii palju lööke teha, kui vabalt lennates. Nii et, kui mesilane tekitab heli a1, siis lendab ta vabalt ning tekitades heli b1, võite olla kindlad, et tal on koorem kaasas.

Ultraheli

Ka sõna ultra tuleb ladina keelest ning tähendab „üle“. Ultraheli ongi heli, mille sagedus on nii kõrge, et see pole inimesele kuuldav ning selle sagedus on üle 20 kHz. Ultraheli skannerid kasutavad ultraheliimpulsse, näitamaks veel sündimata beebisid emaüsas.

                                         Joonis 1. Livingstone’i puuviljanahkhiir.

Pimedas lendav nahkhiir kasutab orienteerumiseks ja saaklooma püüdmiseks kajalokatsiooni. Kajalokatsiooniga tajutakse ümbrust ja suheldakse omavahel. Selleks saadab loom regulaarselt ultraheliimpulsse, mis lähikonna objektidelt tagasi põrkavad. Kaja ja algse heli erinevuste põhjal saab nahkhiir üsna täpse pildi keskkonna kohta. See meetod on piisavalt täpne, et püüda lennult kinni pisikesi sääski. Inimene ei kuule nahkhiirte piiksatusi, sest nahkhiired kasutavad ultraheli.  Kui olete aga enda arvates nahkhiiri kuulnud, siis on olnud tegemist sotsiaalsete helidega. Sotsiaalsed helid on kajalokatsiooni helidest madalamad, mõnikord lausa piisavalt madalad, et olla inimesele kuuldavad.

Kui ultraheli on väga suure sagedusega, siis saab seda kasutada juba desifintseerimiseks ultraheli pesemises. Samuti võib ultraheli näiteks lagundada vereliblesid.

Kasutatud kirjandus:

Hy Ruchlis. Füüsika vannis. Tallinn, 1977

J. Perelman. Huvitav füüsika I ja II. Tallinn, 1983

R. Beattie. Sarateadlase 101 uskumatut katset. Tänapäev, 2009

N. Ardley. Lühientsüklopeedia. Täppisteadused. Koolibri, 2000

Nahkhiired on Eestis kaitse all

Loe edasi

Kas seadused on teaduses eiramiseks ehk kus ja miks Newton´i seadused ei kehti?


Erand kinnitab reeglit ja nii käib ka antud seaduste juurde väike lisaklausel. Esiteks ei rakendu need väga suurtel, valguskiiruse (299 792 458 m/s) lähedastel kiirustel. Teiseks ei saa neid rakendada väga tugevate gravitatsiooniväljade juuresolekul. Me ei saa seetõttu seletada nende abil näiteks pooljuhtide elektrijuhtivust, ülijuhtivust või kirjeldada ainete optilisi omadusi.

Karusselliga sõites tunneme kiiruse tõustes nagu tahaks me ringjoonelt välja lennata. Meile mõjub mingi jõud, mis meid väljapoole lükkab, aga püsime paigal ning oleme karussellil ikka kindlalt oma kohal. Sama fenomeni tunneme lennukiga õhku tõustes – miski surub meid tooli sisse, aga inertsi tõttu jääme liikumatusse seisuolekusse ning ei lahku toolilt. Nimelt vaadeldakse Newton’i seaduseid teatud “inertsest taustsüsteemist”, mis ei liigu kiirendusega, erinevalt õhku tõusvast lennukist või pöörlevast karussellirattast. Jõudusid, mis seda põhjustavad, nimetatakse inertsijõududeks (ingl. k. fictitious forces).

Kas inertsijõud on päriselt ka olemas?

Jah ja ei – sagedamini leiame end inertsiaalses taustsüsteemis olevat. Selleks, et tajuda mõnda inertsijõududest, peame olema mitteinertsiaalses süsteemis. Sellisel juhul tajume kiirenduse tagajärjel meile mõjuvat nö näivat jõudu.

4 inertsijõudu on seotud taustsüsteemidega, kus kiirendus esineb loomulikul (“igapäevasel”) kujul. Esimene neist on sirgjooneliselt kiirendusega liikuv taustsüsteem, mille näiteks on sõitev auto Maa suhtes.

Järgmised 2 jõudu on seotud pöördliikumisega. Esimene neist on tsentrifugaaljõud, mis on risti keha liikumisjoonega ning suunatud ringist väljapoole. See esineb igasugusel pöördliikumisel. Meid hoiab ringliikumises talle vastanduv tsentripetaaljõud, mis ei lase meid ringjoonelt “välja visata”. Kolmas jõud on tingitud Maa pöörlemisest ümber oma telje. Selle jõu avastas 1835. aastal prantsuse teadlane, kelle järgi kannab see nähtus nime Coriolis’e efekt. Kuna Maa pöörleb on Newton’i I seadus justkui kehtetu – kõik asjad, mis paigal on, ja üritavad oma seisuolekut inertsi tõttu säilitada, liiguvad tahes tahtmata Maa pideva liikumise tulemusena.

Viimane selline inertsjõud on Euler’i jõud, mis mõjub muutuva kiirusega ringjooneliselt liikuvatele kehadele nende kiirusvektori suunas.

Enesekontroll:

  1. Mille poolest erinevad teineteisest kesktõmbekiirendus ja Euler’i kiirendus?
  2. a) Tegemist on sama asjaga.
  3. b) Euler’i kiirendus on kiirusvektorisuunaline, aga kesktõmbekiirendus on suunatud risti kiirusvektoriga ringjoone keskpunkti.
  4. c) Kesktõmbekiirendus esineb mitteühtlasel ringliikumisel (ringliikumise kiirendus on muutuv) ja Euler’i kiirendus ühtlasel liikumisel (kiirendus on konstantne).
  1. Miks ülisuurtel kiirustel ei saa rakendada Newton’i liikumisseadusi?
  2. a) Sest sel ajal, kui Newton need seadused välja mõtles, ei osatud veel nii suurtel kiirustel neid seaduseid proovile panna ja hiljem esinesid ebakõlad.
  3. b) Sest selleks on vaja juba Einsteini.
  4. c) Sest valguse kiirusest kiiremini liikuda ei saa ning kui oleme sellele juba lähedal, ei ole kiirendamine enam võimalik ning kiirendus väheneb nullini. Kiirenduse tekitamiseks vajaminev jõud oleks lõputu.
  1. Millised alljärgnevatest nähtustest on tingitud Coriolis’e efektist või milliseid neist Coriolis’e efekt mõjutab?
  2. a) hoovused
  3. b) WC potist vee alla minemine erinevas suunas pööreldes lõuna- ja põhjapoolkeral
  4. c) tsüklonid
  5. d) maavärinad

Vastused: 1 – b, 2 – c, 3 – a,c

Veel uurimiseks:

Does the rotation of the Earth affect toilets and baseball games?

Inertsi jõud

Loe edasi