Vibrations, Waves, & Sound
Chapters 25 & 26
25.1 Vibration of a Pendulum
The period of the pendulum dependsonly on the length of a pendulum andthe acceleration of gravity.
Period
The time it takes for one complete cycle ofmotion.
Represented by the symbol T
Unit of seconds
Frequency
The number of cycles completed in a unit oftime (usually seconds)
Represented by the symbol f
Unit of s-1 (also known as Hertz)
Period and Frequency
Period and frequency are inversely related.
f = 1/T and T = 1/f
A plucked string vibrates back and forth10times each second.
What is the period?
1/10 s
What is the frequency?
10 cycles per second (10 Hz)
What is a wave?
A wave is an means by which energy istransferred from one place to another viaperiodic disturbances
Waves transfer energy
Note that, while energy is transferred from point A topoint B, the particles in the medium do not movefrom A to B.
Individual particles of the medium merely vibrateback and forth in simple harmonic motion
The rate of energy transfer is proportional tothe square of the amplitude
When amplitude is doubled, the energy carriedincreases by a factor of 4.
25.2 Wave Description
The source of all waves is something thatvibrates.
The back-and-forth vibratory motion of aswinging pendulum is calledsimple harmonic motion.
25.2 Wave Description
sine curve is a pictorial representation of awave.
CPPE-Ch25-2_p491-Opnhmr
Wave Parts
Amplitude - the maximum displacement fromequilibrium.
The high points on a wave are called crests.
The low points on a wave are called troughs.
The wavelength of a wave is the distance from onepart of a wave to the next identical part.
CPPE-Ch25-2_p492-Wave
25.3 Wave Motion
When energy is transferred by a wave from avibrating source to a distant receiver, nomatter is transferred between the two points.
CPPE-Ch25-3_p494-Water
Mechanical Waves
Waves that require a physical medium to travelthrough.
Examples of physical media are water, air, string,slinky.
spreadingfrontsonwater
Electromagnetic waves
Waves that do not require a physical medium.
Comprised of oscillating electric and magnetic fields
Examples include x-rays, visible light, radio waves,etc.
Art:The spectrum of electromagnetic waves ranges from low-frequency radio waves to high-frequency gamma rays. Only a small portion of the spectrum, representing wavelengths of roughly 400–700 nanometers, is visible to the human eye.
25.4 Wave Speed
You can calculate the speed of a wave bymultiplying the wavelength by thefrequency.
http://library.thinkquest.org/13405/intro/spform.gif
Wave speed
Wave speed is determined completely bythe characteristics of the medium
For an unchanging medium, wave speed isconstant
think!
If a water wave vibrates up and down two times each second andthe distance between wave crests is 1.5 m, what is the frequency ofthe wave? What is its wavelength? What is its speed?
Answer:
The frequency of the wave is 2 Hz; its wavelength is 1.5 m; and itswave speed is 3 m/s.
25.4 Wave Speed
25.5 Transverse Waves
Particles of the medium move perpendicular to thedirection of energy transfer
You should be able to identify creststroughs,wavelength (distance traveled during one full cycle),and amplitude
3
                  Crest
                   Trough
25.6 Longitudinal Waves
Particles of the medium move parallel to thedirection of energy transfer
Be able to Identify compressionsrarefactions,wavelengths
4
     CompressionsRarefactions
25.7 Interference
The combination of two or more waves in amedium at the same time.
Matter cannot occupy the same space at the sametime, but energy can.
CPPE-Ch25-7_p499-OvrlapAB
25.7 Interference
The Superposition Principle describes whathappens when waves interfere…
Waves (energy) pass through each othercompletely unaffected
The medium will be displaced an amount equal tothe vector sum of what the waves would havedone individually
wavesuperposition1
wavesuperposition2
Constructive Interference
12_1
-pulses to sameside of equilibrium
-resulting mediumdisplacement isgreater than originalwaves
-pulses continueunaffected
Destructive Interference
Pulses on oppositesides of equilibrium
Resulting displacementis less than at leastone of the originals
Pulses continueunaffected
Complete Destructive Interference
35b
Interference patterns
Out of phase destructiveinterference
In phase constructiveinterference
clapper_interference
25.8 Standing Waves
A wave pattern that results when two waves of thesame frequency, wavelength, and amplitude travel inopposite directions and interfere.
Animation of the formation of standing waves
25.8 Standing Waves
Only certain frequencies produce standing wavepatterns.
25.8 Standing Waves
CPPE-Ch25-8_p500-WvsNodes
Nodes are areas of complete destructive interferenceand have no displacement
Antinodes are areas of constructive interference andhave maxiumum displacement
25.9 The Doppler Effect
As a wave source approaches, an observerencounters waves with a higher frequency.As the wave source moves away, an observerencounters waves with a lower frequency.
CPPE-Ch25-9_p502-BugFreq1
CPPE_Up25-9_p502-BugFreq2
25.9 The Doppler Effect
The greater the speed of the source, thegreater will be the Doppler effect.
CPPE-Ch25-9_p503-Siren
25.9 The Doppler Effect
The Doppler effect also occurs for light.
When a light source approaches, there is anincrease in its measured frequency (blue shift)
When it recedes, there is a decrease in itsfrequency (red shift)
26.1 The Origin of Sound
All sounds originate in thevibrations of material objects.
Pitch is the human perception offrequency
CPPE-Ch26-1_p515-TnFrk
26.1 The Origin of Sound
The normal range of human hearing is 20 to20,000 hertz.
Sound waves with frequencies below 20 hertzare called infrasonic.
Sound waves with frequencies above20,000 hertz are called ultrasonic.
26.2 Sound in Air
Consider sound waves in a tube.
When the prong of a tuning fork next to the tubemoves toward the tube, a compression enters thetube.
When the prong swings away, in the oppositedirection, a rarefaction follows the compression.
As the source vibrates, a series of compressionsand rarefactions is produced.
CPPE-Ch26-2_p517-Tube
26.3 Media That Transmit Sound
The speed of sound differs in differentmaterials.
In general, sound is transmitted faster inliquids than in gases, and still faster in solids.
Sound cannot travel in a vacuum.
CPPE-Ch26-3_p517-Vacuum
26.4 Speed of Sound
The speed of sound depends on thecharacteristics of the medium.  A material’stemperature, mass of particles, density, andelasticity are all factors.
- In room temperature air, sound travels about 340 m/s
- In water, sound travels about 1200 m/s
- In aluminum, sound travels about 5000 m/s
26.6 Natural Frequency
When any object composed of an elasticmaterial is disturbed, it vibrates at its ownspecial set of frequencies, which togetherform its special sound.
26.7 Forced Vibration
Sounding boards are an important part of allstringed musical instruments because theyare forced into vibration and produce thesound.
26.8 Resonance
If the frequency of a forced vibrationmatches an object’s natural frequency,resonance dramatically increases theamplitude.
Resonance occurs wheneversuccessive impulses are applied to avibrating object in rhythm with itsnatural frequency.
CPPE-Ch26-8_p521-Swing
Reflection
The bouncing of a wave when it encountersthe boundary between two different media
Fixed End Reflection
At a fixed boundary, waves are inverted as they arereflected.
u10l3a2
Free End Reflection
At a free boundary, waves are reflected on the sameside of equilibrium
u10l3a4