Mișcare și sunet în viața cotidiană

Mișcarea este schimbarea poziției unui corp față de un reper în timp. Distanța parcursă se măsoară în metri, durata în secunde, iar viteza medie pe interval este $v=d/t$ când folosim distanța totală și timpul total. O forță poate modifica viteza sau direcția mișcării. Frecarea se opune mișcării relative între suprafețe și poate produce căldură. Forțele gravitațională, elastică, magnetică și electrică au cauze distincte.

Sunetul este produs de vibrații și are nevoie de un mediu material pentru propagare. Nu se propagă prin vid. Frecvența vibrației influențează înălțimea sunetului, iar amplitudinea influențează nivelul sonor perceput, împreună cu distanța și mediul. Ecoul este sunet reflectat care ajunge după sunetul direct. Protejarea auzului cere limitarea expunerii la sunete foarte intense.

Viteza medie nu spune cum a variat viteza în fiecare moment. O mișcare rectilinie uniformă are distanțe egale în intervale egale, iar graficul distanță–timp este o dreaptă. Sunetul este undă mecanică longitudinală în aer; se propagă prin comprimări și rarefieri. Frecvența se măsoară în hertzi. În aer, viteza sunetului depinde de temperatură; pentru probleme școlare se folosește valoarea precizată în enunț. Într-un ecou, sunetul parcurge drumul până la obstacol și înapoi.

Viteza și accelerația. Conversia: $36km/h=36/3,6=10m/s$. Accelerația medie este $a=\Delta v/\Delta t$. Un corp care pornește din repaus și ajunge la $20m/s$ în $5\mathrm{s}$ are $a=4m/{\mathrm{s}}^2$. Principiul II al dinamicii este $F=ma$: o forță rezultantă dă corpului o accelerație proporțională cu ea.

Sunetul, în numere. Viteza sunetului în aer este de aproximativ $340m/s$ la $20{}^{\circ }\mathrm{C}$, în apă de aproximativ $1500m/s$ și în oțel de aproximativ $5000m/s$. Urechea umană percepe sunete între aproximativ $16\mathrm{Hz}$ și $20000\mathrm{Hz}$. Sunetele sub $16\mathrm{Hz}$ sunt infrasunete, cele peste $20000\mathrm{Hz}$ sunt ultrasunete. Nivelul sonor se măsoară în decibeli: o conversație are aproximativ $60\mathrm{dB}$, iar la aproximativ $120$–$130\mathrm{dB}$ apare senzația de durere. Pentru a auzi un ecou distinct sunt necesare cel puțin $0,1\mathrm{s}$ între sunetul direct și cel reflectat, deci un obstacol la cel puțin $17\mathrm{m}$.

Interacțiunile dintre corpuri. Interacțiunea gravitațională atrage orice două corpuri cu masă și, lângă Pământ, dă greutatea $G=mg$, cu $g\approx 9,8N/kg$: un corp de $2\mathrm{kg}$ are $G\approx 19,6\mathrm{N}$, iar mărul cade. Interacțiunea magnetică apare între magneți și între un magnet și corpuri din fier, nichel sau cobalt: polii de același fel se resping, cei de nume contrar se atrag; un magnet ridică agrafe de oțel, dar nu o monedă de cupru. Interacțiunea electrică apare între corpuri electrizate: sarcinile de același semn se resping, cele de semn contrar se atrag; o riglă de plastic frecată cu lână atrage bucăți mici de hârtie. Frecarea este interacțiunea de contact dintre suprafețe. Gravitația este numai atractivă, iar forțele electrice și magnetice pot fi și atractive, și respingătoare; fiecare poate schimba viteza sau direcția mișcării.

Frecarea. Forța de frecare la alunecare este $F_f=\mu N$, unde $N$ este forța normală, iar $\mu$ depinde de natura suprafețelor, nu de aria de contact. Frecarea poate fi utilă (frânarea, mersul) sau dăunătoare (uzura pieselor). Pe un plan orizontal, cu $\mu =0,2$, un corp de $10\mathrm{kg}$ ($N=98\mathrm{N}$) întâmpină $F_f=0,2\cdot 98=19,6\mathrm{N}$.

Mărimile sunetului. Frecvența determină înălțimea (sunet grav sau acut), amplitudinea determină intensitatea, iar forma undei determină timbrul, prin care deosebim o vioară de un fluier la aceeași notă.

Graficul mișcării. Într-un grafic distanță–timp, panta dreptei este viteza: dacă un corp ajunge la $30\mathrm{m}$ după $6\mathrm{s}$ și la $60\mathrm{m}$ după $12\mathrm{s}$, viteza este $(60-30)/(12-6)=5m/s$. Un segment orizontal înseamnă repaus.

Mișcarea este relativă: un pasager din tren este în repaus față de scaun și în mișcare față de peron. De aceea orice enunț despre viteză sau poziție precizează reperul ales.

Exemplu lucrat 1. Un elev parcurge $120\mathrm{m}$ în $30\mathrm{s}$; viteza medie este $v=120\mathrm{m}/30\mathrm{s}=4m/s$. Dacă aude ecoul după $2\mathrm{s}$ și viteza sunetului este $340m/s$, distanța până la perete este $d=vt/2=340m/s\cdot 2\mathrm{s}/2=340\mathrm{m}$.

Exemplu lucrat 2: fulger și tunet. Tunetul se aude la $6\mathrm{s}$ după fulger. Lumina ajunge practic instantaneu, deci distanța până la descărcare este $d=vt=340\cdot 6=2040\mathrm{m}$, aproximativ $2\mathrm{km}$.

Exemplu lucrat 3: conversii și timp. Un biciclist merge cu $72km/h=20m/s$. Distanța de $500\mathrm{m}$ se parcurge în $t=d/v=500/20=25\mathrm{s}$. Dacă la acest drum adaugă o oprire de $5\mathrm{s}$, viteza medie pe cele $30\mathrm{s}$ este $500/30\approx 16,7m/s$.

Greșeli frecvente

• Greșit: viteza medie este distanța numai, fără timp.
  Corect: se împarte distanța totală la durata totală.
• Greșit: sunetul se propagă prin vid.
  Corect: are nevoie de un mediu material.
• Greșit: la ecou, timpul măsurat este doar drumul până la perete.
  Corect: include și întoarcerea sunetului.

Înainte și după