Fórum: Érdekes fizika feladatok

B nem melegszik fel, de lassabban fog hűlni, mint A. A feladatban három résztvevő van: A,B és az elektromos tér. Az elektromos tér szintúgy rendelkezik egy hőmérséklettel, és azt mondja meg, hogy az üres térben a különböző energiájú és irányú fotonok mekkora számban vannak jelen. A két test között ezen fotonok közvetítik a kölcsönhatást, mindkét test igazából csak a fotontérrel hat kölcsön közvetlenül.

Ha a rendszert sokáig magára hagyod, akkor A, B és az elektromos tér hőmérséklete ugyanarra az értékre fog beállni.

Ha feltesszük, hogy ezen egyensúly még nem állt be, és mondjuk az elektromos tér \(\displaystyle T_e\) hőmérséklete \(\displaystyle T_e < T_A=T_B\), akkor a következő fog történni. Az A és a B test is elkezd hűlni, hiszen a fekete test sugárzás által energiát pumpálnak a térbe. A B test hőmérséklete viszont lassabban hűl, mint az A-é, hiszen a B által kisugárzott hősugárzás egy része vissza fog verődni önmagára, ő nem annyira erősen csatolt a külső elektromos térhez. Így, mint ahogy a forumon valaki rámutatott, a B testnek effektíve nagyobb a hőkapacitása, mint A-é, ezért lassabban fog változni a hőmérséklete. Először tehát A fog termalizálódni az elektromos térrel (lehűl), és utána szépen lassan addig fog nőni az A test és az elektromos tér hőmérséklete, illetve addig fog hűlni B, míg a három hőmérséklet egyenlő nem lesz.

És egy érdekes fizikafeladat (én nem tudtam megoldani). [innen másolva]

Másodfajú optikai perpetuum mobile Vegyünk egy minden releváns hullámhosszon tökéletesen reflektáló tükröt, és alakítsunk ki belőle egy, két konfokális ellipszoidszeletből és egy gömbszeletből álló zárt forgásfelületet az ábra alapján. A és B pontok a két ellipszoid fókuszpontjai.

Tegyük fel, hogy két pontszerű feketetestet teszünk ezekbe a pontokba. Amit A kisugároz, az teljesen ráfókuszálódik B-be, de B hősugárzásának egy része önmagába jut vissza.

Vagyis azonos hőmérsékletek esetén, A lehűl, míg B felmelegszik, ami ellentmond a termodinamika második főtételének.

A kérdés az, hogy hol van a hiba elrejtve?

Láttad-e a jedik csatáját? Próbáltad-e utánozni őket? Elszomorodtál-e, amikor a zseblámpád fénysugara nem akadt be sisteregve a másik jedi lámpájának sugarába? De tudod-e, mi történik eközben a találkozási pontban, milyen irányba és milyen sebességgel áramlik a fénysugarak elektromágneses energiája? És tudod-e, hogyan verődik vissza ugyanez az energianyaláb a tükör felületéről? Most megtudhatod.

Szeptember 14-ei atomcsill előadáson Dávid Gyula a fényről és a hozzá kapcsolódó energiaáramlásról fog mesélni, néhány példában és konfigurációban.

(Azért raktam ide, mert ez a téma szerintem mint fizikafeladat érdekes, nem mint előadás, ahol valami új dolgot tud meg az ember a világ működéséről. Persze az is új, hogy a fény útja és a Poynting-vektor milyen kapcsolatban állnak, de inkább technikai jellegű.)

Többi előadáshoz kedvcsináló: [atomcsill]
Program: [program] [részletes pdf]

((Az újságban is propagálva lesz, de nem tudom mikor érkezik az első szám))

A nagyon mély hangok elnyeletésére egybefüggő fémlemez felületeket ágyazunk, gumilemezek közé zárt, szemcsés (általában folyami homok) anyagba. Az ilyen "szendvicseket" kifejezetten az infra és a nagyon alacsony hallható frekvenciák szigetelésére alkalmazzuk. Láttam hidraulikus megoldásokat is, az alacsony frekvenciákra, valamint pár éve megjelentek az aktív, szélessávú csendesítők, ahol szó szerint ellen fázisú hangokat keltve interferáltatjuk a zajforrásból érkező nyomáshullámokat.

Alapvetően igazad van, a hangfalak és a "hangok" esetében. Én a hővezetéses résznél a gépek hangszigetelésére gondoltam, ahol sok esetben a keltett hanghullámok kW/m2 nagyságrendű energiáját elnyeletve komoly feladat a hő elvezetése. De a többivel teljesen egyetértek. A szokványos hangfalak esetében még a fájdalomküszöb feletti hangnyomásnál sem keletkezik olyan nagy hő aminek az elvezetése gond lehetne.

"... hővé alakítja a levegő nyomásváltozásait, majd elvezeti a hőt." -írod. Tökéletesen igaz amit írsz, csak az érdekesség kedvéért írom, hogy a keletkezett hőtől nem kell megijedni, nagyon könnyen elvezetődik. Egy 100 wattos erősítővel meghajtott hangfal, ha 1 százalék hatásfokkal működik akkor már iszonyatosan hangos egy normál lakószobában (4 x 3 x 2,5 m). Tegyük föl hogy a lesugárzott 1 watt hangteljesítmény egyenletesen oszlik el a szobában. A szoba falainak felülete(a padlóval és a mennyezettel): 2 x 300x400 + 2 x 300x250 + 2 x 400x250 = 590 000 négyzet cm. 1 négyzet cm felületre tehát 1 : 590 000 watt teljesítmény jut, még ha mind elnyelődik, akkor is könnyen elvezetődik a keletkezett hő.

Ami biztos: a mély hangokat (= alacsony frekvencia) nagyon rosszul fogja elnyelni/csillapítani - inkább a magas és közepes hangokat.

Kicsit félreértetted. Lényeg az anyagok (, több anyag=kompozit) szerkezete, tulajdonságai ÉS a formája.

Milyen hangot szeretnél elnyeletni?

A lényeg az anyag nem a forma. Ezt értem, de mégis mondjuk ha ez szivacsból vagy puha fából készült volna és nem fényes műanyagból, melyik irányból nyelné el a hangot a legjobban. Mély-közép-magas frekvenciákat?

Láttál már tojástartót? És puha gumi-szivacsból készült tojástartó formát?

A szobai visszhang kioltás lényege az, hogy a hanghullám terjedési irányára (lehetőleg) merőleges irányba történő visszaverődés közben, minden ütközéskor csökkenjen a hanghullám energiája.

Azaz a jó hangszigetelők speciális kompozit anyagok. Amelyekben a szemcsék mozgása hővé alakítja a levegő nyomásváltozásait, majd elvezeti a hőt is..

A fényes, kemény felületektől ilyen hatást ne várj!

Már a steppelt paplan alakú homokzsákoknak is ezerszer nagyobb a hangelnyelő képessége.

Akkor másképpen kérdezem... Ezek a formák használhatóak-e hatásosan a falra-plafonra-sarkokba rögzítve hangcsillapításra? Melyik oldaluk ad jobb eredményt? Anyaga műanyag, a tölcsér átmérője 15cm és 9cm, magassága 20cm a belső kúp 17cm magas. http://www.ikea.com/hu/hu/catalog/products/00190463/?query=001.904.63

Az a gyanúm, hogy félreérted a kúpok funkcióját. Az átmérő változása a rezonancia frekvenciák arányait határozza meg. A kettős kúp pedig az interferencia teret és ezzel a kisugárzott nyaláb irányítottságát.

Engem a tölcsér és a kúp kombinációjának hangelnyelő képességei érdekelnének. Konkrétan egy IKEA által forgalmazott műanyag váza akusztikai tulajdonságai. A belső nézete egy hangosbeszélőhöz hasonlatos szabályos kúp. Tehát melyik oldala csillapítja jobban a HANGOT? http://www.ikea.com/hu/hu/catalog/products/00190463/?query=001.904.63

"A trombita akusztikus visszacsatolásánál lehetetlen a gerjedés! Ez ellentmondana az energia megmaradás törvényének"

Így könnyű átlépni a felvetett problémán. Nekem nem szimpatikus, ha egy "ismeretlen" jelenségnél helyből a fenti törvényre hivatkozunk. Sajnos, én csak akkor nyugodnék bele, ha kísérletileg ez be is lehetne bizonyítani. Vagy, megnyugtató módon be kellene mutatni, hogy miért halljuk gyengébben a bemeneti-, és erősebben a kimeneti oldalak hangjait - ugyanazon a frekvencián. Tehát a fül frekvenciaérzékenysége kivédve.

A trombita akusztikus visszacsatolásánál lehetetlen a gerjedés! Ez ellentmondana az energia megmaradás törvényének. Gondoljunk arra is, hogy a csőben kialakuló állóhullámok keltette hangot a trombita tölcsére a tér egy szűk tartományába tereli. Nincsen más bemenő energia, mint a fúvókánál bizonyos frekvenciával lüktetve beáramló levegőfolyam energiája. A trombita csak ennek egy részét alakíthatja át a kijövő hang energiájává. Már a jobb szilveszteri trombitánál is meglepő a hangerősség növekedés, ha külön a sípot, majd a tölcséres sípot fújjuk. Tudja ezt az, akinek már viccből a fülébe trombitáltak.

Örülök, hogy legalább felmerült más gondolat is.

Károly! Lehet, hogy így van, de mégis úgy gondolom, hogy a trombita kifejezetten vékony, hosszú csövében valószínűleg elhanyagolható az a jelenség, amit írtál. Tehát a domináns nyomáshullám inkább tisztán longitudinális lesz. A "szilveszteri" trombitában egy fém rezgőnyelv gerjeszti a hangot, és nem is lesz olyan erős a keltett hang, a rövid, tölcséres rezonátortest miatt. Itt már elképzelhető az oldalirányú reflexió módosító hatása. Talán ezért olyan a hangja is.

Ha egy cső végén hangot gerjesztünk, akkor a hanghullámok különböző úton jutnak el a cső másik végéhez, s az egy időben elindult hullámok nem egy időben érnek oda. Lásd az ábrán a nyilakat, melyek egyforma hossz után lettek berajzolva.

Ha folyamatosan gerjesztődik a hang, akkor egy idő után egyre több más időpontban gerjesztődött hanghullám fog egy időben a cső végén távozni és ezek energiája együttesen már számottevő növekedésű lehet.

Gyakorlatilag egy csőhossznyi sugarú félgömb felületén áthaladó hanghullám van a cső átmérőjébe besűrítve. Ennél persze kevesebb energianövekedés történik, mivel nem minden hullámhossz és beesési szögtől függő a visszaverődés hatásfoka.

Ha nem lenne visszaverődési veszteség és R >> r, akkor az energiaszint növekedés.

Vagy rosszul sejtem?

Semmi gond, ezt a kérdést is félre teszem, mivel úgy látom nem sok ember fantáziáját mozgatta meg. A trombita működésével kapcsolatban nagyon sok munkát olvastam el (szakdolgozat, egyetemi jegyzet), és hiányoltam, hogy senki nem vizsgálta ezt a kérdést.

"Bevallom őszintén, már arra is gondoltam, hogy ki kellene próbálni egy egyfajta akusztikus visszacsatolást. Nem következne be egy öngerjesztő folyamat?" -írod. Azt hiszem, sejtem mire gondolsz. Vegyünk egy pozitívan visszacsatolt, gerjedő erősítőt például. Vegyük észre, hogy az ebben keletkező rezgések energiája nagyrészt a tápfeszültségből származik, anélkül nincsenek rezgések. Erre céloztam, amikor azt mondtam, hogy a trombitát fújják is - az áramló levegő által betáplált energiára. Lehet, hogy ebben nincs igazam - sajnos még soha nem fújtam trombitát - ezért lehet, hogy tévedek és nem is kell fújni bele a levegőt.

Kedves Zilberbach!

A hangerősödés megtapasztalásához nem kell tudnod trombitán játszani. Ha érdekel a dolog, próbáld ki: csupán egy 2 m hosszú, 10 mm átmérőjű műanyagcsőre van szükséged. A cső egyik végén, viszonylag könnyedén rezegtetve az ajkadat, fújd be a levegőt. Ha tölcsér van a cső végén, még erősebb a hang, továbbá, könnyebb megszólaltatni, ha van egy bevezető darab is (mundstück)

Tölcsér nélkül nem is beszélhetünk "illesztésről", hiszen a cső végig azonos keresztmetszetű marad.

Tehát még egyszer kérdezem: az ajkunk nyílása (átmérője) és a 10 mm átmérőjű cső között nincs akkora különbség, mint amekkora a létrejött hangerő-különbségben észlelhető. Egy kis hozzásegítés

Igazad van, valószínűleg egyéb tényezők is okozzák még a trombita hangerejét. Pl. a hang irányítottsága, "cső" rezonanciák, stb. Sajnos nem tudok trombitán játszani, de a TV-ben úgy tűnik, hogy a trombitások nem csak egyszerűen "halkan beleberregnek" a trombitába, hanem igencsak fújják is, néha egészen kidagadnak az erek a nyakukon.

Az akusztikus rövidzár hiányára, ill. gyengeségére valóban nem gondoltam, de sajnos még akkor is erősen nyugtalanít az a hatalmas hangerő-különbség a két oldalon. Lehet, hogy ez csak egy szubjektív érzés? Egy mérési bizonyítás bizonyára megnyugtatna, de ilyet nem találtam.

Bevallom őszintén, már arra is gondoltam, hogy ki kellene próbálni egy egyfajta akusztikus visszacsatolást. Nem következne be egy öngerjesztő folyamat?

Ez a kérdés nem hagy nyugodni.

Mindenesetre köszönöm a válaszokat.

A tölcsér a már említett "akusztikai rövidzár" jelenségét is jelentősen csökkenti, minél hosszabb, annál nagyobb mértékben.

A rezgő húrok és hangvillák önmagukban nagyon rossz hatásfokkal sugároznak hangot: elsősorban a húr kis felülete, másodsorban az akusztikai rövidzár jelensége miatt, mivel a húr elmozdulásakor annak egyik oldalán létrejövő helyi nyomásnövekedés, illetve a másik oldalán ezzel egyidejűleg jelentkező nyomáscsökkenés részben kioltja, közömbösíti egymást. Ha a húrokat a egy nagyobb felületű, rugalmasan viselkedő testhez csatoljuk, a húrok rezgésében tárolt mechanikai energia jobb hatásfokkal sugározható. Ebben az esetben a húrok különböző frekvenciájú rezgései a rugalmas test hajlítási hullámok formájában megjelenő különböző rezgési módjait gerjesztik. Ebből az is következik, hogy a rezonáns nemcsak „felerősíti” a hangot, hanem karaktert, egyedi hangszínt is ad neki.

A trombita esetében föntiekhez hozzátehetjük még azt is hogy a tölcsér "akusztikai impedancia-illesztést" is végez. A trombita-tölcsér szintén egy sajátos hangszínváltozást is okoz a lesugárzott hangban.

A trombita és a hangvilla (vagy a gitár) dobozának hangerősítése között nagyságrendi különbség van. Így ez még nem győzött meg. Megismétlem: a trombitát közelről hallgatva beszakíthatja a dobhártyánkat, a dobozos gitár ezt nem tenné!

Egy kancsikás ostor végén lévő elvékonyodó rész csattanásakor egy kisebb hangrobbanást okoz. Ennek megértése könnyebb: működtetéskor az ostor elején lévő nagy tömegű részbe fektetünk kis sebességgel energiát, mely végig "szaladva" az egyre kisebb tömegű részek felé nagyobb sebességűvé válik - az impulzusmegmaradás miatt. Kedvező körülmények között a végsebesség átlépheti a hangsebességet, mely hangrobbanáshoz vezethet. Itt nincs rezonancia, csak sebesség növekedés.

Ez a működésmechanizmus nem húzható rá a trombitára. A trombitában a frekvencia a cső elején és végén ugyanaz, csak az amplitúdó változik iszonyú mértékben. De mitől?