Edukacja Fizyka Nauka i technika Wiedza

Czestotliwosc drgań – wzór, jednostka i przykłady

Częstotliwość drgań to jedno z najważniejszych pojęć w fizyce, szczególnie w opisie ruchu drgającego, fal, dźwięku i prądu zmiennego. Zrozumienie, czym jest częstotliwość, jak ją obliczać i w jakich jednostkach ją podajemy, pozwala lepiej rozumieć zjawiska wokół nas – od brzmienia instrumentów muzycznych po działanie sieci energetycznej.

Czym jest częstotliwość drgań? (definicja)

Wyobraź sobie prosty przykład: wahadło (np. ciężarek na sznurku), które wychylasz i puszczasz. Wahadło porusza się tam i z powrotem. Jeden pełny „tam i z powrotem” nazywamy jednym drganiem lub jednym cyklem.

Częstotliwość drgań mówi nam, ile takich pełnych drgań zachodzi w określonym czasie (najczęściej w jednej sekundzie).

Formalna definicja:

\[ \text{Częstotliwość drgań} = \text{liczba pełnych drgań w jednostce czasu} \]

Jeśli w ciągu 1 sekundy wahadło wykona 2 pełne drgania, to mówimy, że częstotliwość drgań wynosi 2 drgania na sekundę.

Jednostka częstotliwości drgań

Jednostką częstotliwości w układzie SI jest herc, oznaczany symbolem Hz.

  • 1 Hz oznacza 1 drganie na sekundę.
  • 10 Hz oznacza 10 drgań na sekundę.

Możemy to zapisać matematycznie:

\[ 1 \,\text{Hz} = 1 \,\text{s}^{-1} \]

co czytamy jako „jeden na sekundę”.

Podstawowe wielkości związane z drganiami

W ruchu drgającym często używamy trzech ściśle powiązanych ze sobą wielkości:

Wielkość Oznaczenie Jednostka Znaczenie
Częstotliwość \( f \) \( \text{Hz} \) (herc) Liczba drgań w jednostce czasu
Okres \( T \) \( \text{s} \) (sekunda) Czas trwania jednego pełnego drgania
Liczba drgań \( N \) – (bez jednostki) Ile pełnych drgań wykonano
Czas trwania \( t \) \( \text{s} \) Czas, w którym zachodzi ruch drgający

Wzór na częstotliwość drgań

Zależność między częstotliwością a okresem

Okres drgań to czas jednego pełnego drgania. Jeśli znamy okres \( T \), częstotliwość obliczamy ze wzoru:

\[ f = \frac{1}{T} \]

To oznacza, że:

  • jeśli okres \( T \) jest duży (jedno drganie trwa długo), częstotliwość jest mała,
  • jeśli okres \( T \) jest mały (drgania są szybkie), częstotliwość jest duża.

Odwrotny wzór (gdy znamy częstotliwość, a chcemy obliczyć okres):

\[ T = \frac{1}{f} \]

Zależność między częstotliwością a liczbą drgań

Jeżeli wiemy, ile drgań \( N \) wykonało ciało w czasie \( t \), częstotliwość obliczamy tak:

\[ f = \frac{N}{t} \]

Interpretacja:

  • \( N \) – ile drgań zaobserwowaliśmy,
  • \( t \) – w jakim czasie (w sekundach),
  • \( f \) – ile wychodzi drgań na 1 sekundę.

Przykłady obliczeń częstotliwości drgań

Przykład 1: obliczanie częstotliwości z okresu

Zadanie: Ciało wykonuje drgania o okresie \( T = 0{,}5 \,\text{s} \). Oblicz częstotliwość.

Rozwiązanie:

  1. Zapisujemy wzór: \[ f = \frac{1}{T} \]
  2. Podstawiamy dane: \[ f = \frac{1}{0{,}5 \,\text{s}} = 2 \,\text{Hz} \]

Odpowiedź: częstotliwość drgań wynosi \( 2 \,\text{Hz} \), czyli 2 drgania na sekundę.

Przykład 2: obliczanie częstotliwości z liczby drgań i czasu

Zadanie: Wahadło wykonało \( N = 30 \) drgań w czasie \( t = 15 \,\text{s} \). Oblicz częstotliwość.

Rozwiązanie:

  1. Korzystamy ze wzoru: \[ f = \frac{N}{t} \]
  2. Podstawiamy: \[ f = \frac{30}{15 \,\text{s}} = 2 \,\text{Hz} \]

Odpowiedź: częstotliwość drgań wynosi \( 2 \,\text{Hz} \).

Przykład 3: obliczanie okresu z częstotliwości

Zadanie: Drgania mają częstotliwość \( f = 50 \,\text{Hz} \). Oblicz okres \( T \).

Rozwiązanie:

  1. Wzór: \[ T = \frac{1}{f} \]
  2. Podstawiamy: \[ T = \frac{1}{50 \,\text{Hz}} = 0{,}02 \,\text{s} \]

Odpowiedź: jedno drganie trwa \( 0{,}02 \,\text{s} \), czyli 20 milisekund.

Prosty kalkulator częstotliwości drgań

Poniżej znajdziesz prosty kalkulator, który pomoże obliczyć częstotliwość drgań na dwa sposoby:

  • z okresu \( T \),
  • z liczby drgań \( N \) wykonanych w czasie \( t \).

Kalkulator 1: częstotliwość z okresu \( T \)


Wynik:

Kalkulator 2: częstotliwość z liczby drgań \( N \) i czasu \( t \)



Wynik:

Związek częstotliwości z ruchem kołowym (dla ciekawych)

W wielu sytuacjach ruch drgający można powiązać z ruchem po okręgu. Wtedy pojawia się tzw. częstość kołowa (lub pulsacja), oznaczana przez \( \omega \) (omega).

Związek między częstotliwością \( f \) a częstością kołową \( \omega \) jest następujący:

\[ \omega = 2\pi f \]

gdzie:

  • \( \omega \) – częstość kołowa (w radianach na sekundę, \(\text{rad/s}\)),
  • \( \pi \approx 3{,}14 \).

Ten wzór jest istotny np. w analizie ruchu harmonicznego, fal, obwodów RLC w elektronice. Na poziomie podstawowym wystarczy Ci świadomość, że istnieje takie powiązanie; nie musisz go stosować w prostych zadaniach szkolnych, jeśli program tego nie wymaga.

Przykłady drgań w życiu codziennym

1. Wahadło zegara

  • W starych zegarach wahadłowych wahadło wykonuje drgania z dość stałą częstotliwością.
  • Jeśli wahadło wykonuje jedno drganie w 2 sekundy, to okres wynosi \( T = 2 \,\text{s} \), a częstotliwość: \[ f = \frac{1}{2 \,\text{s}} = 0{,}5 \,\text{Hz} \]
  • Czyli 0,5 drgania na sekundę, a inaczej: 1 drganie na 2 sekundy.

2. Struny instrumentów muzycznych

  • Gdy szarpniesz strunę gitary, zaczyna ona drgać.
  • Częstotliwość drgań struny decyduje o wysokości dźwięku (czyli czy dźwięk brzmi „wysoko” czy „nisko”).
  • Np. dźwięk „A” (a1) w muzyce ma częstotliwość około \( 440 \,\text{Hz} \). Oznacza to, że struna wykonuje 440 drgań na sekundę.

3. Dźwięki słyszalne przez człowieka

  • Człowiek słyszy w przybliżeniu dźwięki o częstotliwościach od około \( 20 \,\text{Hz} \) do \( 20\,000 \,\text{Hz} \) (20 kHz).
  • Poniżej 20 Hz mówimy o infradźwiękach – są zbyt niskie, by je słyszeć, ale mogą być odczuwane jako wibracje.
  • Powyżej 20 kHz są ultradźwięki, wykorzystywane np. w medycynie (USG) i przez nietoperze do echolokacji.

4. Prąd przemienny w gniazdku

  • W europejskich sieciach energetycznych prąd zmienny ma częstotliwość \( 50 \,\text{Hz} \).
  • Oznacza to, że w każdym punkcie obwodu wartości napięcia i natężenia zmieniają się w sposób okresowy, wykonując 50 pełnych cykli zmian na sekundę.

Jak rośnie częstotliwość, gdy maleje okres? – prosty wykres

Zależność między częstotliwością \( f \) a okresem \( T \) jest odwrotna: \( f = \frac{1}{T} \). Aby to lepiej zobaczyć, spójrzmy na prosty wykres pokazujący, jak zmienia się częstotliwość, gdy okres przyjmuje kilka przykładowych wartości.

Na wykresie widać, że:

  • gdy \( T = 1{,}0 \,\text{s} \), wtedy \( f = 1 \,\text{Hz} \),
  • gdy \( T = 0{,}5 \,\text{s} \), wtedy \( f = 2 \,\text{Hz} \),
  • gdy \( T = 0{,}25 \,\text{s} \), wtedy \( f = 4 \,\text{Hz} \), itd.

Im krótszy czas jednego drgania, tym więcej drgań zmieści się w jednej sekundzie, czyli częstotliwość rośnie.

Podsumowanie – najważniejsze informacje

  • Częstotliwość drgań to liczba drgań w jednostce czasu, zwykle w jednej sekundzie.
  • Jednostką częstotliwości jest herc (Hz), czyli „drganie na sekundę”.
  • Podstawowe wzory:
    • \( f = \frac{1}{T} \) – gdy znamy okres drgań,
    • \( f = \frac{N}{t} \) – gdy znamy liczbę drgań i czas,
    • \( T = \frac{1}{f} \) – gdy znamy częstotliwość, a szukamy okresu,
    • \( \omega = 2\pi f \) – częstość kołowa (dla bardziej zaawansowanych zastosowań).
  • Częstotliwość występuje w wielu zjawiskach: w drganiach wahadła, drganiach strun, dźwiękach, falach, prądzie przemiennym, a nawet w drganiach atomów w ciałach stałych.

Umiejętność obliczania częstotliwości drgań i zrozumienie jej znaczenia to ważny krok do dalszej nauki fizyki, akustyki, elektroniki i wielu innych dziedzin nauk ścisłych.



Similar Posts