Strona głównaPytania → Wytwarzanie dźwięku przez tarcie

Wytwarzanie dźwięku przez tarcie

Pytanie

Pyta Marcin

Dlaczego przy pocieraniu powierzchni gładkich o siebie słychać głośny dźwięk? Przecież wystających z materiału "mikroelementów", które (według mnie) przy pocieraniu zaczepiają o siebie i po odgięciu czy po urwaniu się wytwarzają malutką podłużną falę dźwiękową, jest olbrzymia liczba, a że robią to w różnym czasie, fale te powinny się znosić? To co się nie zniesie, powinno być niesłyszalne praktycznie

Odpowiedź

Odpowiada Jan Gaj

Pytanie porusza szereg ciekawych problemów. Zacznijmy od samego zjawiska wytwarzania dźwięku przez tarcie. Dzieje się to, gdy smyczek przesuwa się po strunie w instrumencie, a także, gdy pocieramy czystym mokrym palcem brzeg szklanego kieliszka. Jednak gdy palec nie jest czysty (zabrudzony tłuszczem), a smyczek nie został nasmarowany kalafonią, może się to nie udać, usłyszymy jedynie cichy szmer. Dla skutecznego wytworzenia dźwięku przez pocieranie zasadnicze znaczenie ma różnica między tarciem statycznym a dynamicznym. Gdy przeciągamy smyczkiem po strunie, początkowo struna ugina się i podąża za smyczkiem. W miarę uginania się struny powiększa się siła tarcia statycznego, którą smyczek ciągnie strunę, aż do momentu zerwania przyczepności. Wtedy siłę tarcia statycznego zastępuje siła tarcia dynamicznego. Jeżeli ta druga jest istotnie mniejsza od pierwszej, struna gwałtownie się cofa, co powoduje zmniejszenie jej naprężenia, czyli siły potrzebnej do tego, by poruszała się wraz ze smyczkiem. Przyczepność zostaje odzyskana i cały proces się powtarza, dając w wyniku drgania struny. Tak samo generujemy dźwięk wodząc palcem po brzegu kieliszka, choć szkło ugina się o wiele mniej niż struna.

Drugi ciekawy problem to sumowanie się wielu dźwięków o przypadkowych fazach. Wbrew intuicji Autora pytania, nie otrzymujemy wtedy zera. Dla zrozumienia, dlaczego tak jest, potrzebny jest niewielki rachunek, w którym korzystamy z faktu, że natężenie dźwięku (energia na jednostkę czasu) jest proporcjonalne do kwadratu jego amplitudy. Można wykazać, że dwa dźwięki o tej samej częstości i amplitudach A1 i A2, różniące się w fazie o ß składają się w drganie o amplitudzie A spełniającej warunek A2 = A12 + A22 + 2A1A2cosß w którym człon zawierający cosinus opisuje interferencję dwóch drgań. Gdy różnica faz ß przybiera przypadkowe wartości, człon interferencyjny uśrednia się do zera. Otrzymujemy wtedy sumowanie się kwadratów amplitud drgań składowych do amplitudy drgania wypadkowego. Oznacza to proste sumowanie się natężeń dźwięków składowych, a w sumie dodatnich wartości nic się nie znosi!

Wreszcie można zadać sobie pytanie, jak przechodzić między obrazem makroskopowym (w którym występują empiryczne wielkości – tarcie statyczne i dynamiczne) a mikroskopowym, w którym poszukujemy mechanizmu zjawiska tarcia. Okazuje się, że takie rzeczy można badać doświadczalnie, wodząc maleńkim ostrzem po badanej powierzchni i rejestrując działające przy tym siły. Robią to na przykład fizycy w Montrealu (http://www.physics.mcgill.ca/~roland/).