Aallot ja ääni

Putkiresonanssi

Paina Toista – aja avointa putkea sen perustaajuudella; resonanssi voimistaa vasteen.

Putkiresonanssi – interaktiivinen Aallot ja ääni-simulaatio. Paina Toista – aja avointa putkea sen perustaajuudella; resonanssi voimistaa vasteen. Ilmainen selaimessa toimiva virtuaalinen fysiikkalaboratorio, jossa on reaaliaikaiset SI-mittaukset ja opastettu tutoriaali.

Putkiresonanssi

Avoin putki resonoi, kun ajotaajuus vastaa seisovan aallon tilaa.

Avoimelle-avoneelle putkelle sallitut aallonpituudet toteuttavat yhtälön L = nλ/2. Resonanssissa amplitudi kasvaa, koska energia siirtyy tehokkaasti putken tilaan.

• fₙ = n·v/(2L)
• Avoin putki: λₙ = 2L/n

Tutkimustiivistelmä

Suunnittele kysymys ennen laboratorion avaamista

Tiivistelmä vastaa esirendattua sivua: tutkimuskysymys, kilpailevat ennusteet, muuttujien roolit, hallitsevat lait, kokoonpano sekä analyysi- ja laajennuskysymykset pysyvät näkyvissä tässä järjestyksessä.

Tutkimuskysymys

Molemmin päin avoin ilmapylväs (kuten avoin urkuputki) resonoi pituudestaan määräytyvällä perustaajuudella. Jos käytät lyhyempää putkea, nouseeko vai laskeeko resonanssisävelkorkeus?

Punniteltavat ennusteet

• Lyhyempi putki resonoi matalammalla perustaajuudella.
• Lyhyempi putki resonoi korkeammalla perustaajuudella.
• Putken pituus ei vaikuta perustaajuuteen.

Muuttujien roolit

Mitä asetat:

• Putken pituus L (m)

Mitä mittaat:

• Perusaallonpituus λ (m)
• Perustaajuus f₁ (Hz)

Miten tutkimus etenee

1. Avaa putkiresonanssi-esiasetus ja paina Nollaa. Putki on avoin molemmista päistä, 20 °C:n ilmassa.
2. Ota käyttöön perustaajuuden lukema putkessa.
3. Aseta putken pituus jokaiselle suoritukselle ja kirjaa perustaajuus.

Hallitseva yhtälö

Avoputken perustaajuus — f₁ = c/(2L)

Molemmin päin avoin ilmapylväs resonoi täydellä aallonpituudella, joka mahtuu kahdesti sen pituuteen (λ = 2L), antaen perustaajuuden f₁ = c/(2L) – sama nopeus–aallonpituus-suhde kuin mille tahansa aallolle, sovellettuna ääneen ilmassa.

Mitä tulostettava työarkki pyytää opiskelijoita selvittämään

• Yhdelle suoritukselle laske f₁ = c/(2L) käyttäen c = 331.3·√(1 + 20/273.15) m/s arvolle 20 °C ilma. Vertaa taulukkoon.
• Molemmin päin avoimen putken perustaajuudella on täysi aallonpituus λ = 2L. Selitä kaavalla v = fλ, miksi f₁ = c/(2L) seuraa suoraan siitä aallonpituudesta.

Missä tämä näkyy laboratorion ulkopuolella

• Toisesta päästään suljettu putki (kuten klarinetti) tukee vain parittomia harmonisia ja sillä on perustaajuus f₁ = c/(4L) – puolet tämän kokeen taajuudesta samalla pituudella. Miksi toisen pään sulkeminen kaksinkertaistaa efektiivisen aallonpituuden?
• Äänen nopeus c kasvaa ilman lämpötilan mukana. Jos soitaisit samaa putkea ulkona paljon kylmempänä päivänä, nousisiko vai laskisiko sen resonanssisävelkorkeus? Miksi puhallussoittimet tarvitsevat uudelleenvirityksen lämpötilan muuttuessa?

• AP Physics 2 — Unit 14: Waves, Sound, and Physical Optics
• IB Physics — C.4 Standing waves and resonance
• General High School Physics — Waves & sound
• NGSS High School Physics — Wave properties

1. Tervetuloa putkiresonanssiin
2. Valitse putki
3. Paina Toista
4. Aja perustaajuus
5. Avaa Ominaisuudet-paneeli
6. Onnistuit!

Avaa interaktiivinen simulaatio rakentaaksesi kohtauksen, paina Toista ja tutki reaaliaikaisten mittausten ja opastetun tutoriaalin kanssa.

Avaa interaktiivinen laboratorio →

Lataa työarkki →

Aaltoyhtälö