Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας

Φυσική στην Γ΄ Γυμνασίου.

Η ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑ 8

Ζουν σ’ ένα σπιτάκι στην άκρη της λίμνης. Έχουν μοιράσει τους ρόλους όχι και τόσο παραδοσιακά. Εκείνη πηγαίνει τα πρωινά στην απέναντι όχθη, και ψαρεύει, έχει καλό ψάρι εκεί, ενώ εκείνος μαγειρεύει, συνήθως ψήνει τα ψάρια που φέρνει η αγαπημένη του. Λίγο μετά το μεσημεράκι όταν «το φαγητό είναι έτοιμο» χρειάζεται να της στείλει μήνυμα γιατί αυτή αφοσιώνεται στο ψάρεμα και ξεχνιέται.

Έχουν εξάλλου αποφασίσει να μη χρησιμοποιούν τα κινητά .

Του αρέσει να την ειδοποιεί

με διάφορους τρόπους.

1. Μια μέρα σκέφτηκε να της σφυρίξει, όπως έκαναν οι τσοπάνηδες του παρελθόντος. Το έκανε και εκείνη τελικά άκουσε.

2. Μιαν άλλη φορά σήκωσε ένα βαρύ βότσαλο και το άφησε να πέσει

στη ήρεμη επιφάνεια της λίμνης.

Πρόσεξε ότι στην επιφάνεια του νερού έγιναν ρυτιδώσεις

σε ομόκεντρους κύκλους οι οποίες εξαπλώνονταν όλο και πιο πέρα, μεταφέροντας την πληροφορία, μέχρι που έφθασαν μπροστά στην αγαπημένη του.

Εκείνη, με στραμμένη την προσοχή της

στην επιφάνεια του νερού,

είδε τις ρυτιδώσεις που «είχαν φθάσει» και κατάλαβε ότι «το φαγητό ήταν έτοιμο».

3. Για τον ίδιο σκοπό μια μέρα με λιακάδα χρησιμοποίησε ένα

καθρεφτάκι και , στρέφοντάς το προς το μέρος της αγαπημένης του, έστειλε το φως πάνω της.

Η πληροφορία είχε φθάσει .

4. Μιαν άλλη φορά σκέφτηκε να χρησιμοποιήσει τη σφεντόνα

που είχε φυλάξει από τότε που ήταν παιδί και την είχε μαζί του.

Πήρε μια μικρή πέτρα και την εκτόξευσε πολύ προσεκτικά

για να μη την χτυπήσει.

Η πέτρα έφυγε από τη σφεντόνα, έφθασε απέναντι,

προσγειώθηκε μπροστά στα πόδια της κι εκείνη κατάλαβε.

Είναι εκείνος με τη σφεντόνα. Η επικοινωνία πραγματοποιήθηκε με τη ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΗ κάποιου σώματος με ΜΑΖΑ από τον πομπό στον δέκτη. Και το «σώμα με μάζα» ήταν βέβαια η πέτρα που έφθασε απέναντι.

Σε καμιά άλλη περίπτωση δεν φάνηκε να συμβαίνει κάτι παρόμοιο.

Στην περίπτωση του βότσαλου που έπεσε στη λίμνη και «ρυτίδωσε» την επιφάνεια δεν έγινε μετακίνηση νερού προς το μέρος της κοπέλας. Εκείνος μάλιστα είχε προσέξει ότι ένα μικρό ξυλαράκι που επέπλεε σε κάποιο σημείο της επιφάνειας δεν παρασύρθηκε προς την κατεύθυνση του δέκτη αλλά έκανε μια κατακόρυφη παλινδρομική κίνηση, μια ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ παρόμοια με την κίνηση μιας γειτονικής υγρής ποσότητας.

Αυτό δηλαδή που μεταφέρθηκε ήταν ένα ΣΗΜΑ για ενεργοποίηση των υγρών ποσοτήτων της επιφάνειας σε ταλαντώσεις κατακόρυφες, ένα σήμα που μεταφέρθηκε μέχρι την αντίπερα όχθη και η κοπέλα «κατάλαβε» .

Σε περιπτώσεις όπως αυτή - κατά τις οποίες το μήνυμα φθάνει χωρίς μετακίνηση κάποιου σώματος προς την κατεύθυνση του δέκτη - οι φυσικοί μιλούν για ΚΥΜΑ. Λένε ότι έχουμε μεταφορά ενέργειας και πληροφορίας με μηχανισμό ΚΥΜΑΤΟΣ

Με το ηχητικό σήμα που μεταδόθηκε μέσα από τον αέρα, μεταφορά ενέργειας έγινε, η πληροφορία μεταδόθηκε, αλλά ο αέρας έπαιξε μόνο τον ρόλο του «μέσου», δεν μετακινήθηκαν δηλαδή αέριες ποσότητες προς τη μεριά του δέκτη όπως συμβαίνει όταν φυσάει ο άνεμος.

Ήδη από τον 17ο αιώνα, εποχή που η Φυσική δεν είχε ακόμα «πατήσει στα πόδια της»,

όταν οι φυσικοί δοκίμασαν να περιγράψουν τη διάδοση του αόρατου ΗΧΟΥ

στον αόρατο αέρα την φαντάστηκαν να είναι «κάτι» όπως το κύμα της θάλασσας

Το ΚΥΜΑ έγινε όρος της Φυσικής, οικοδομήθηκε, δηλαδή,

μια καινούρια έννοια ευρύτερη από τον ήχο.

Θεμελιώθηκε πάνω στις ανθρώπινες «εσωτερικές εικόνες» όπως αυτές με μια φουρτουνιασμένη θάλασσα είτε

με ένα αγρό με στάχυα και τον άνεμο να τα κάνει να ψιθυρίζουν και να «κυματίζουν».

Για τη τελική θεμελίωση

χρησιμοποιήθηκε

και το φυσικό φαινόμενο «ταλάντωση»

Οι δύο από τα τέσσερεις επιλογές που αναφέρθηκαν,

η εξάπλωση των ρυτιδώσεων στην επιφάνεια του νερού και

ο ήχος-σφύριγμα, έχουν στοιχεία κοινά:

α. Προηγείται η ΕΚΠΟΜΠΗ, ακολουθεί η ΔΙΑΔΟΣΗ

και στη συνέχεια η ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ

β. Και στις δύο περιπτώσεις παρατηρείται μεταφορά ενέργειας

και πληροφορίας από τον πομπό προς τον δέκτη.

γ. Κατά τη διάδοση του σήματος συμβαίνουν αλλοιώσεις στο μέσο διάδοσης

δ. Δεν παρατηρείται μετακίνηση υλικού σώματος από τον πομπό προς τον δέκτη

Ένα ταψί με λίγο νερό κάτω από μία βρύση.

Στο νερό επιπλέουν μικρά κομματάκια φελλού. Ανοίγουμε λίγο τη βρύση και αφήνουμε να στάζει έτσι ώστε οι σταγόνες να πέφτουν στην επιφάνεια του νερού ανά ίσα χρονικά διαστήματα. Εστιάζουμε την προσοχή σε δύο διαπιστώσεις.

Η πρώτη είναι ότι στην επιφάνεια του νερού δημιουργούνται ρυτιδώσεις οι οποίες «εξαπλώνονται».

Η δεύτερη είναι ότι τα κομματάκια του φελλού ταλαντώνονται αλλά δεν παρασύρονται

από την εξάπλωση των ρυτιδώσεων.

Για τη Φυσική το ΚΥΜΑ είναι :

Διεργασία ΔΙΑΔΟΣΗΣ μιας ΔΙΑΤΑΡΑΧΗΣ,

έτσι ώστενα μεταφέρεται ΕΝΕΡΓΕΙΑ

ΧΩΡΙΣ να συμβαίνει ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΜΑΖΑΣ

Ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχει η περίπτωση κατά την οποία

η ΔΙΑΤΑΡΑΧΗ είναι μία ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ.

Οι κρίσιμες λέξεις που συμμετέχουν στον ορισμό είναι

η ΔΙΑΔΟΣΗ, η οποία υποδηλώνει κάποιο μηχανισμό

η διαταραχή ως ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ η οποία αναφέρεται σε συγκεκριμένη κίνηση υλικού σημείου και

η ΕΝΕΡΓΕΙΑ, έννοια η οποία συμμετέχει στις περισσότερες από τις εννοιακές οικοδομήσεις στη Φυσική

Για να οικοδομήσουμε την έννοια ΚΥΜΑ και να περιγράψουμε αυτό που συμβαίνει

χρειαζόμαστε άλλες έννοιες, ορισμένες από τις οποίες είναι καθαρά γεωμετρικές.

Κατ’ αρχήν εκείνες που περιγράφουν το φαινόμενο ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ

άμεσά τους σημαντικότερες είναι

η γεωμετρική έννοια "διεύθυνση της ταλάντωσης"

και οι έννοιες πλάτος, συχνότητα και ενέργεια

Μια επιπλέον έννοια με την οποία περιγράφεται το ΚΥΜΑ είναι

η γεωμετρική έννοια " διεύθυνση διάδοσης του κύματος".

Η διεύθυνση της διάδοσης μπορεί να είναι κάθετη

στη ''διεύθυνση

της ταλάντωσης

οπότε το κύμα χαρακτηρίζεται ΕΓΚΑΡΣΙΟ

μπορεί όμως και να συμπίπτει

με τη διεύθυνση

της ταλάντωσης,

οπότε το κύμα χαρακτηρίζεται ΔΙάΜΗΚΕΣ

Κάθε κύμα

εκπέμπεται από μία "πηγή",

διαδίδεται σε κάποιο μέσο και

είναι δυνατόν να ανιχνευθεί από κάποιον δέκτη.

[

είναι ακόμα οι τρεις βασικές έννοιες

Περιγράφει το «πόσο γρήγορα» γίνεται η διάδοση της διαταραχής

Αν διαιρέσουμε την ΑΠΟΣΤΑΣΗ στην οποία διαδίδεται

η διαταραχή με το ΧΡΟΝΙΚΟ ΔΙΑΣΤΗΜΑ στο οποίο έγινε η διάδοση προκύπτει η τιμή της ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ του κύματος

Είναι όπως και

η ταχύτητα ενός σώματος

Όχι ακριβώς . Ο ορισμός της γίνεται– όπως και στην ταχύτητα ενός σώματος – με μία διαίρεση

αλλά ιΔΕΝ ΕΙΝΑΙ η ΙΔΙΑ έννοια. Καθώς διαδίδεται η διαταραχή κάθε υλικό σημείο του μέσου

εκτελεί ταλάντωση και έχει μια μεταβαλλόμενη ταχύτητα

αλλά η ΤΑΧΥΤΗΤΑ του ΤΟΥ ΚΥΜΑΤΟΣ είναι κάτι διαφορετικό. Πρέπει να μάθεις να τα ξεχωρίζεις

Από τι εξαρτάται

η τιμή της ;

η τιμή της ταχύτητας εξαρτάται από το μέσον διάδοσης

και δεν εξαρτάται από το "πόσο γρήγορα"

κινούνται τα υλικά σημεία- ταλαντωτές

Σχετίζεται με το "μυστικό" ότι κατά τη διάδοση του κύματος

OΛΑ ΤΑ ΣΗΜΕΙΑ ΤΟΥ ΜΕΣΟΥ ΤΑΛΑΝΤΩΝΟΝΤΑΙ

ΜΕ ΤΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗΣ ΤΗΣ ΠΗΓΗΣ.

Η κοινή αυτή συχνότητα λέγεται

"συχνότητα του κύματος''.

η τιμή της συνεπώς εξαρτάται από το "πόσο γρήγορα" ταλαντώνεται η πηγή

και δεν εξαρτάται από το μέσον διάδοσης

ορίζεται ως

εάν ο ορισμός αυτός συνδυαστεί με εκείνον της ταχύτητας

προκύπτει η θεμελιώδης εξίσωση των κυμάτων ταχύτητα = λ/Τ ή

ταχύτητα κύματος = λf

η τιμή του εξαρτάται και από το μέσον διάδοσης

και από τη συχνότητα της πηγής

πώς ΔΗΜΙΟΥΡΓΟΥΝΤΑΙ ; πώς ΔΙΑΔΙΔΟΝΤΑΙ; πώς ΑΝΙΧΝΕΥΟΝΤΑΙ ;

Οι άνθρωποι έθεταν ανέκαθεν τέτοιου είδους ερωτήματα
για τους ΗΧΟΥΣ. Τον 17ο αιώνα, την ευθύνη για τις απαντήσεις την ανέλαβε η Φυσική

ΕΚΠΕΜΠΕΤΑΙ

Μέχρι και σήμερα οι φυσικοί υποστηρίζουν ότι σε κάθε περίπτωση

ΠΗΓΗ του ήχου είναι ένα σώμα που εκτελεί

παλμικές κινήσεις - ταλαντώσεις - ορισμένης συχνότητας

Τι θα πει

ΟΡΙΣΜΕΝΗΣ συχνότητας ;

Η συχνότητα της πηγής η οποία είναι και ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΗΧΟΥ

πρέπει να είναι από 20 Hz μέχρι 20.000 Hz

Και αν η συχνότητα είναι μεγαλύτερη ;

Δημιουργούνται υπέρηχοι

τους οποίους ανιχνεύουν τα δελφίνια και οι νυχτερίδες αλλά όχι

το ανθρώπινο αυτί

Αν η συχνότητα είναι μικρότερη από 20 Hz

δημιουργείται επίσης κάτι

που δεν το συλλαμβάνει το αυτί μας ;

Ακριβώς. Σε αυτή την περίπτωση

δημιουργούνται υπόηχοι

Το αντικείμενο που ΕΚΠΕΜΠΕΙ ήχο

μπορεί να είναι

φωνητικές χορδές

ανθρώπου,

μεμβράνη του μεγάφωνου,

χορδή

της κιθάρας

ή

και χορδή του πιάνου

ΔΙΑΔΙΔΕΤΑΙ

Στο ερώτημα για τη ΔΙΑΔΟΣΗ των ήχων,
οι φυσικοί συμφώνησαν στο ότι κάθε ήχος διαδίδεται ως ΚΥΜΑ.

Η ιδέα για τον κυματικό χαρακτήρα της διάδοσης οποιουδήποτε ήχου,

έγινε πλατειά αποδεκτή χωρίς να εμφανιστούν διαφωνίες
σαν εκείνες που είχαν εκδηλωθεί γα τη φύση του φωτός.

Κατά τον 17ο αιώνα, όταν οι άνθρωποι κατάφεραν να δημιουργήσουν κενό, διαπίστωσαν ότι,

ενώ το φως διαδίδεται στο ΚΕΝΟ, ο ήχος δεν διαδίδεται.

Στο δεύτερο μισό του εικοστού αιώνα, όταν οι άνθρωποι πέτυχαν να αποδράσουν από την ατμόσφαιρα

στην οποία είχαν γεννηθεί, βεβαιώθηκαν για κάτι που είχαν υποψιαστεί

Ότι ο διαστημικός χώρος είναι ένας κόσμος απόλυτης σιωπής

ΑΝΙΧΝΕΥΕΤΑΙ

Όσο για την ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ των ήχων
οι φυσικοί υποστηρίζουν ότι
γίνεται με σώματα δέκτες

τα οποία υποβάλλονται σε ταλάντωση.

Για το μικρόφωνο είναι η ΜΕΜΒΡΑΝΗ,
για το ανθρώπινο αυτί είναι το ΤΥΜΠΑΝΟ

ΥΨΟΣ του ήχου

Μπορεί να ξεχωρίσει έναν οξύ ήχο, όπως εκείνος της σειρήνας
από έναν λιγότερο οξύ και, ακόμα πιο εύκολα από έναν βαρύ
όπως αυτόν που «βγάζει» ο μπάσος και το μπάσο .

Τον οξύ ήχο τον χαρακτηρίζει και ΨΗΛΟ
ενώ τον βαρύ ήχο, τον λέει ΧΑΜΗΛΟ.

ΑΚΟΥΣΤΟΤΗΤΑ

Μπορεί να ξεχωρίσει ένα ισχυρό ήχο

όπως αυτόν της ηλεκτρικής κιθάρας

από έναν άλλο ήχο λιγότερο δυνατό

και ακόμα πιο εύκολα από ένα ασθενή ήχο

όπως ο ψίθυρος .
Εξάλλου με το τηλεκοντρόλ

συχνά δυναμώνει τον ήχο της τηλεόρασης

Ποιο είναι το αντικειμενικό στοιχείο

που μας κάνει να διακρίνουμε

τους δυνατούς ήχους ;

Οι φυσικοί υποστηρίζουν ότι αυτό που κάνει τον άνθρωπο

να αντιλαμβάνεται ότι ένας ήχος είναι πιο ισχυρός από έναν άλλο ήχο

είναι ότι αντικειμενικά στην περίπτωση του πρώτου ήχου μεταφέρεται

σε κάθε τετραγωνικό εκατοστό περισσότερη ενέργεια

ανά δευτερόλεπτο .

Είναι η λεγόμενη ένταση του ήχου , το αντικειμενικό αντίστοιχο της υποκειμενικής ακουστότητας

Και τα ντεσιμπέλ ;

Τι είναι ντεσιμπελ ;

Η κλίμακα ντεσιμπέλ χρησιμοποιείται διεθνώς

για να περιγράφει την ένταση του ήχου

140 dB είναι ήχος που προκαλεί πόνο,

70 dB ο ήχος της ηλεκτρικής σκούπας και

μηδέν dB το κατώφλι ακουστότητας

ΧΡΟΙΑ

Μπορεί να ξεχωρίσει δύο ήχους

οι οποίοι έχουν το ίδιο ύψος

και την ίδια ακουστότητα.

Μπορεί να αναγνωρίσει ότι

ο ένας προέρχεται από πιάνο

και ο άλλος από σαξόφωνο