Waves (LAQs)
Physics-2 | 1. Waves – LAQs:
Welcome to LAQs in Chapter 1: Waves. This page features the key FAQs for Long Answer Questions. Each answer is provided in simple English, with a Telugu explanation, and formatted according to the exam style. This will support your preparation and help you secure top marks in your final exams.
LAQ-1 : Explain the formation of stationary waves in stretched strings and hence deduce the equations for first, second and third harmonics and also deduce the laws of transverse waves is stretched strings.
For Backbenchers 😎
Imagine you have a long string, like a piece of spaghetti. When you wiggle one end, it sends a wavy motion down the string. But what happens if you wiggle it from both ends at the same time? The wavy motions meet in the middle and make something special – it looks like the waves stop and just stay in one place. We call this a “stationary wave.”
Now, in this stationary wave, there are some special spots. Imagine the wavy spaghetti as a jump rope, and when you shake it up and down, there are places where it goes really high up and down – those are like the “super high” spots called “antinodes.” Then there are spots where the wavy spaghetti doesn’t move at all – those are called “nodes.” These antinodes and nodes are like fixed points in our special wave.
Why is this important? Well, it helps us understand music! Think about a guitar string. When you pluck it gently, it makes a nice, low sound. That’s like the “main” sound it can make – we call it the “first sound.” But if you pluck it harder or in a different way, it can make higher-pitched sounds, like when a guitar goes from a low note to a higher one. These higher-pitched sounds are like the “second” and “third” sounds, which we call “harmonics.”
So, in simple words, stationary waves are what happen when waves on a string collide and stop in one place. This helps us understand the different sounds we hear in music. The first sound is like the main note, and the other sounds are like the fancy musical notes that make music interesting. We can figure out these sounds using a special formula that involves the speed of the wave, the length of the string, and a number that tells us which sound we’re talking about. It’s like a recipe for making music!
మన తెలుగులో
మీరు స్పఘెట్టి ముక్క వంటి పొడవైన తీగను కలిగి ఉన్నారని ఊహించుకోండి. మీరు ఒక చివరను కదిలించినప్పుడు, అది స్ట్రింగ్లో అలల కదలికను పంపుతుంది. కానీ మీరు దానిని రెండు చివరల నుండి ఒకేసారి కదిలిస్తే ఏమి జరుగుతుంది? ఉంగరాల కదలికలు మధ్యలో కలుస్తాయి మరియు ఏదో ప్రత్యేకంగా ఉంటాయి – అలలు ఆగి ఒకే చోట ఉన్నట్లు కనిపిస్తోంది. మేము దీనిని “స్థిర తరంగం” అని పిలుస్తాము.
ఇప్పుడు, ఈ స్థిరమైన తరంగంలో, కొన్ని ప్రత్యేక మచ్చలు ఉన్నాయి. ఉంగరాల స్పఘెట్టిని ఒక జంప్ రోప్గా ఊహించుకోండి మరియు మీరు దానిని పైకి క్రిందికి కదిలించినప్పుడు, అది నిజంగా పైకి క్రిందికి వెళ్లే ప్రదేశాలు ఉన్నాయి – అవి “యాంటినోడ్స్” అని పిలువబడే “సూపర్ హై” స్పాట్ల వంటివి. అప్పుడు ఉంగరాల స్పఘెట్టి కదలని మచ్చలు ఉన్నాయి – వాటిని “నోడ్స్” అంటారు. ఈ యాంటీనోడ్లు మరియు నోడ్లు మన ప్రత్యేక తరంగంలో స్థిర బిందువుల వంటివి.
ఇది ఎందుకు ముఖ్యమైనది? సరే, ఇది సంగీతాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి మాకు సహాయపడుతుంది! గిటార్ స్ట్రింగ్ గురించి ఆలోచించండి. మీరు దానిని సున్నితంగా లాగినప్పుడు, అది చక్కని, తక్కువ ధ్వనిని చేస్తుంది. అది “ప్రధాన” ధ్వని వంటిది – మేము దానిని “మొదటి ధ్వని” అని పిలుస్తాము. కానీ మీరు దానిని గట్టిగా లేదా వేరొక విధంగా తీసివేసినట్లయితే, అది గిటార్ తక్కువ స్వరం నుండి ఎక్కువ శబ్దానికి వెళ్ళినప్పుడు వంటి అధిక-పిచ్ శబ్దాలను చేస్తుంది. ఈ ఎత్తైన శబ్దాలు “రెండవ” మరియు “మూడవ” శబ్దాల వలె ఉంటాయి, వీటిని మనం “హార్మోనిక్స్” అని పిలుస్తాము.
కాబట్టి, సరళంగా చెప్పాలంటే, స్ట్రింగ్లోని తరంగాలు ఢీకొని ఒకే చోట ఆగిపోయినప్పుడు జరిగేవి స్థిర తరంగాలు. ఇది సంగీతంలో మనం వినే విభిన్న శబ్దాలను అర్థం చేసుకోవడానికి సహాయపడుతుంది. మొదటి ధ్వని ప్రధాన స్వరం వలె ఉంటుంది మరియు ఇతర శబ్దాలు సంగీతాన్ని ఆసక్తికరంగా మార్చే ఫ్యాన్సీ మ్యూజికల్ నోట్స్ లాగా ఉంటాయి. వేవ్ యొక్క వేగం, స్ట్రింగ్ యొక్క పొడవు మరియు మనం ఏ ధ్వని గురించి మాట్లాడుతున్నామో తెలిపే సంఖ్యతో కూడిన ప్రత్యేక సూత్రాన్ని ఉపయోగించి మేము ఈ శబ్దాలను గుర్తించవచ్చు. ఇది సంగీతం చేయడానికి ఒక వంటకం వంటిది!
Introduction
Stationary waves in stretched strings are a unique phenomenon where two identical waves travel in opposite directions and meet, forming a distinct wave pattern. These waves are essential in understanding harmonics, which are distinct patterns created by stationary waves on strings.
Formation of Stationary Waves
- Stationary Waves Creation: Stationary waves are created when two identical waves with the same amplitude and wavelength travel in opposite directions and overlap or superimpose on each other.
- Reflection and Overlapping: In stretched strings, waves traveling in one direction are reflected back, resulting in a stationary wave system that remains fixed in space.
Understanding Nodes and Antinodes
- Antinodes: Points in the stationary wave where the amplitude is maximum, occurring at x = 0, λ/2, λ, 3λ/2, where the value of cos(2πx/λ) is ±1.
- Nodes: Points where the amplitude is minimum (zero), occurring at x = λ/4, 3λ/4, 5λ/4, where the value of cos(2πx/λ) is zero.
- Distance Between Nodes and Antinodes: The distance between any two successive antinodes or nodes is λ/2, and between any antinode and node is λ/4.
Harmonics
- Harmonics on Vibrating Strings: In a vibrating string, the audible frequencies are called harmonics.
- First Harmonic: Also known as the fundamental frequency or first resonance, occurs when one full wave fits on the string, given by f1 = v/2L.
- Second Harmonic: Occurs when two full waves fit on the string, expressed as f2 = 2v/2L = v/L.
- Third Harmonic: Involves three full waves fitting on the string, calculated as f3 = 3v/2L.
- Harmonic Formula: Here, v represents the speed of the wave on the string, and L represents the length of the string.
Summary
Stationary waves form when two identical waves traveling in opposite directions superimpose on each other, creating points of maximum amplitude (antinodes) and minimum amplitude (nodes). This phenomenon in stretched strings forms a pattern known as harmonics. The first harmonic corresponds to one full wave fitting on the string, and subsequent harmonics follow a similar pattern. The frequency of these harmonics is determined by the formula f = nv/2L, where n is the harmonic number, v is the wave speed, and L is the string length.
LAQ-2 : Explain the formation of stationary waves in air column enclosed in open pipe. Derive the equation for the frequencies of harmonics produced.
For Backbenchers 😎
Imagine blowing air into a long pipe that’s open at both ends, like a flute. When you blow air into it, something cool happens. The sound you make inside the pipe bounces back and forth. It’s like shouting in a tunnel, and your voice echoes.
This bouncing sound inside the pipe creates something called “stationary waves.” It’s like when you make waves in a pool, but these waves stay in one place, they don’t move. These waves are the key to making music with instruments like flutes.
Now, think of these waves as different musical notes. The first one is like the main note, the “do” in a music scale. We call it the “first harmonic.” It happens because there are two spots in the pipe where the air moves a lot (we call them “antinodes“), and there’s a spot in the middle where the air doesn’t move much (we call it a “node“).
Here’s the simple math part: the length of the pipe (how long it is) is linked to the length of these waves inside it. For the first harmonic, the wave is twice as long as the pipe. To figure out how fast it vibrates (the “frequency“), you can use a simple formula: just take the speed of sound and divide it by twice the length of the pipe.
Now, for the second harmonic, it’s like the next note in the music scale, “re.” It vibrates twice as fast as the first one because it fits exactly in the pipe’s length. For the third harmonic, it’s like “mi,” and it vibrates three times faster than the first.
So, in easy terms, blowing air into a pipe makes waves that bounce around and stay still. These waves help create musical notes, with the first one as the main note. The length of the pipe and the speed of sound help us figure out how fast these notes vibrate. It’s like magic that musicians use to make beautiful music.
మన తెలుగులో
వేణువు వంటి రెండు చివర్లలో తెరిచి ఉన్న పొడవైన పైపులోకి గాలిని ఊదడం గురించి ఆలోచించండి. మీరు దానిలోకి గాలిని ఊదినప్పుడు, చల్లగా ఏదో జరుగుతుంది. పైపు లోపల మీరు చేసే ధ్వని ముందుకు వెనుకకు బౌన్స్ అవుతుంది. ఇది సొరంగంలో అరవడం లాంటిది మరియు మీ స్వరం ప్రతిధ్వనిస్తుంది.
పైపు లోపల ఈ బౌన్స్ ధ్వని “నిశ్చల తరంగాలు” అని పిలువబడుతుంది. మీరు కొలనులో తరంగాలను సృష్టించినట్లుగా ఉంటుంది, కానీ ఈ అలలు ఒకే చోట ఉంటాయి, అవి కదలవు. వేణువుల వంటి వాయిద్యాలతో సంగీతం చేయడానికి ఈ తరంగాలు కీలకం.
ఇప్పుడు, ఈ తరంగాలను విభిన్న సంగీత స్వరాలుగా భావించండి. మొదటిది మెయిన్ నోట్ లాగా ఉంటుంది, మ్యూజిక్ స్కేల్లో “డూ”. మేము దానిని “మొదటి హార్మోనిక్” అని పిలుస్తాము. పైపులో గాలి చాలా కదులుతున్న రెండు మచ్చలు (మేము వాటిని “యాంటినోడ్లు” అని పిలుస్తాము) మరియు మధ్యలో గాలి ఎక్కువగా కదలని ప్రదేశం ఉన్నందున ఇది జరుగుతుంది (మేము దానిని “నోడ్” అని పిలుస్తాము).
ఇక్కడ సరళమైన గణిత భాగం ఉంది: పైపు పొడవు (ఇది ఎంత పొడవు) దానిలోని ఈ తరంగాల పొడవుతో ముడిపడి ఉంటుంది. మొదటి హార్మోనిక్ కోసం, వేవ్ పైపు కంటే రెండు రెట్లు ఎక్కువ. ఇది ఎంత వేగంగా కంపిస్తుంది (“ఫ్రీక్వెన్సీ”) గుర్తించడానికి, మీరు ఒక సాధారణ సూత్రాన్ని ఉపయోగించవచ్చు: ధ్వని వేగాన్ని తీసుకొని పైపు పొడవు కంటే రెండు రెట్లు విభజించండి.
ఇప్పుడు, రెండవ హార్మోనిక్ కోసం, ఇది మ్యూజిక్ స్కేల్లోని తదుపరి గమనిక “రీ” లాగా ఉంది. ఇది పైపు పొడవులో సరిగ్గా సరిపోతుంది కాబట్టి ఇది మొదటిదాని కంటే రెండు రెట్లు వేగంగా కంపిస్తుంది. మూడవ హార్మోనిక్ కోసం, ఇది “mi” లాగా ఉంటుంది మరియు ఇది మొదటిదాని కంటే మూడు రెట్లు వేగంగా కంపిస్తుంది.
కాబట్టి, తేలికగా చెప్పాలంటే, పైపులోకి గాలిని ఊదడం వల్ల అలలు ఎగసిపడేలా చేస్తాయి మరియు నిశ్చలంగా ఉంటాయి. ఈ తరంగాలు సంగీత గమనికలను రూపొందించడంలో సహాయపడతాయి, మొదటిది ప్రధాన గమనికగా ఉంటుంది. పైపు పొడవు మరియు ధ్వని వేగం ఈ గమనికలు ఎంత వేగంగా కంపిస్తాయో గుర్తించడంలో మాకు సహాయపడతాయి. సంగీత విద్వాంసులు అందమైన సంగీతాన్ని రూపొందించడానికి ఉపయోగించే మంత్రం లాంటిది.
Introduction
In the world of sound and music, an open pipe is a term used to describe a tube that is open at both ends. These open pipes are often used in musical instruments, like flutes or some kinds of organs. When sound waves are sent through an open pipe, they bounce back from the far end and mix with incoming waves to create what we call stationary waves. These stationary waves result in the formation of harmonics.
Understanding Stationary Waves and Harmonics in an Open Pipe
- When sound waves are sent through an open pipe, they reflect back from the far end.
- The incoming and reflected waves, which are of the same frequency but traveling in opposite directions, combine or superimpose to form stationary waves.
- These stationary waves create what we call harmonics. The first harmonic, or fundamental frequency, is formed with antinodes at the two ends of the pipe and a node in between.
Calculating Harmonics
- The vibrating length ‘l’ of the pipe corresponds to half the wavelength (λ/2) of the first harmonic. Therefore, the wavelength of the first harmonic is twice the length of the pipe (λ1 = 2l).
- The fundamental frequency (v1) can be calculated using the formula v1 = v/λ1, where v is the velocity of sound in air. By substituting λ1 = 2l in the formula, we get v1 = v/2l.
- The second harmonic (first overtone) will have an additional node and antinode than the fundamental. The wavelength of the second harmonic (λ2) will be the length of the pipe (λ2 = l). Therefore, the frequency of the second harmonic (v2) will be v2 = v/λ2 = 2v1.
- Similarly, the third harmonic (second overtone) will have three nodes and four antinodes. The wavelength of the third harmonic (λ3) will be 2l/3. Therefore, the frequency of the third harmonic (v3) will be v3 = 3v1.
Summary
In an open pipe, sound waves reflect and create stationary waves, forming harmonics. These harmonics are calculated based on the length of the pipe and the velocity of sound in air. The fundamental frequency or the first harmonic has the frequency of v1 = v/2l. The second and third harmonics (and so on) can be found in a similar manner, with frequencies of 2v1, 3v1, etc. Thus, the ratio of harmonic frequencies in an open pipe is 1:2:3 and so on. This understanding of harmonics in open pipes forms the basis for the creation of musical notes in many wind instruments.
LAQ-3 : How are stationary waves formed in closed pipes ? Explain the various modes of vibrations and obtain relations for their frequencies.
For Backbenchers 😎
Imagine you have two types of musical pipes: open ones and closed ones. The open ones are like straws open at both ends, and the closed ones are like straws sealed at one end.
When you blow air into these pipes, they make sound. The cool part is how they make different musical notes. It’s a bit like blowing across the top of a soda bottle to make a sound.
Now, inside these pipes, something special happens. The sound bounces back and forth, like when you shout in a big empty room, and your voice echoes. This bouncing sound creates what we call “stationary waves.” They’re like waves in a pond that don’t move around; they stay in one spot.
The length of the pipe and how fast sound travels help us figure out how these waves make music. Imagine a jump rope – if it’s long, it makes slow waves, and if it’s short, it makes fast waves. That’s what the length of the pipe does. The speed of sound helps us know how many waves fit inside the pipe.
Now, for the first musical note, you just divide the speed of sound by two times the length of the pipe. For the second note, you divide by just the length of the pipe, and for the third note, you divide by one and a half times the length of the pipe. These formulas tell us how fast the musical notes vibrate.
So, in simple words, open and closed pipes are like musical straws. When you blow into them, they create waves that bounce around and make music. The length of the pipe and the speed of sound help us know how fast these musical notes go. It’s like a musical puzzle that helps musicians create songs and tunes.
మన తెలుగులో
మీకు రెండు రకాల సంగీత పైపులు ఉన్నాయని ఊహించుకోండి: ఓపెన్ మరియు క్లోజ్డ్. తెరిచినవి రెండు చివర్లలో తెరిచిన గడ్డిలాగా ఉంటాయి మరియు మూసివున్నవి ఒక చివర సీలు చేసిన గడ్డిలాగా ఉంటాయి.
మీరు ఈ పైపులలోకి గాలిని ఊదినప్పుడు, అవి శబ్దం చేస్తాయి. వారు విభిన్న సంగీత గమనికలను ఎలా తయారు చేస్తారు అనేది చక్కని భాగం. ఇది సౌండ్ చేయడానికి సోడా బాటిల్ పైభాగంలో ఊదడం లాంటిది.
ఇప్పుడు, ఈ పైపుల లోపల, ఏదో ప్రత్యేకంగా జరుగుతుంది. మీరు ఖాళీగా ఉన్న పెద్ద గదిలో అరుస్తున్నప్పుడు మరియు మీ స్వరం ప్రతిధ్వనించినట్లుగా ధ్వని ముందుకు వెనుకకు బౌన్స్ అవుతుంది. ఈ బౌన్స్ ధ్వని మనం “స్థిర తరంగాలు” అని పిలుస్తుంది. వారు చుట్టూ కదలని చెరువులోని అలల వంటివారు; వారు ఒకే స్థలంలో ఉంటారు.
పైపు పొడవు మరియు ధ్వని ఎంత వేగంగా ప్రయాణిస్తుంది అనేది ఈ తరంగాలు సంగీతాన్ని ఎలా తయారు చేస్తాయో గుర్తించడంలో మాకు సహాయపడతాయి. ఒక జంప్ తాడును ఊహించండి – అది పొడవుగా ఉంటే, అది నెమ్మదిగా తరంగాలను చేస్తుంది మరియు అది చిన్నదిగా ఉంటే, అది వేగవంతమైన తరంగాలను చేస్తుంది. పైపు పొడవు అదే చేస్తుంది. పైపు లోపల ఎన్ని తరంగాలు సరిపోతాయో తెలుసుకోవడానికి ధ్వని వేగం మనకు సహాయపడుతుంది.
ఇప్పుడు, మొదటి సంగీత గమనిక కోసం, మీరు ధ్వని వేగాన్ని పైపు పొడవు కంటే రెండు రెట్లు విభజించండి. రెండవ గమనిక కోసం, మీరు పైపు పొడవుతో విభజించారు మరియు మూడవ గమనిక కోసం, మీరు పైపు పొడవు కంటే ఒకటిన్నర రెట్లు విభజించారు. ఈ ఫార్ములాలు మ్యూజికల్ నోట్స్ ఎంత వేగంగా కంపిస్తాయో తెలియజేస్తాయి.
కాబట్టి, సాధారణ పదాలలో, ఓపెన్ మరియు క్లోజ్డ్ పైపులు సంగీత స్ట్రాస్ లాగా ఉంటాయి. మీరు వాటిని ఊదినప్పుడు, అవి తరంగాలను సృష్టించి, చుట్టూ బౌన్స్ చేస్తాయి మరియు సంగీతాన్ని చేస్తాయి. పైపు పొడవు మరియు ధ్వని వేగం ఈ మ్యూజికల్ నోట్స్ ఎంత వేగంగా వెళ్తాయో తెలుసుకోవడానికి మాకు సహాయపడతాయి. ఇది సంగీతకారులకు పాటలు మరియు ట్యూన్లను రూపొందించడంలో సహాయపడే సంగీత పజిల్ లాంటిది.
Introduction
Organ pipes are devices designed to create sound by utilizing the phenomenon of resonance. They come in two types: open and closed organ pipes. Open organ pipes are open at both ends, while closed organ pipes are sealed at one end. Despite their different constructions, both types serve the same purpose: to produce sound. The sound waves in these pipes form stationary waves due to the reflection and superposition of the incident sound waves.
- Open and Closed Organ Pipes:
- Open organ pipes, also known as open mouth organ pipes, are open at both ends.
- Closed organ pipes, also referred to as closed mouth organ pipes, are open at one end and closed at the other.
- Formation of Stationary Waves: Stationary waves are formed in these pipes by the reflection and superposition of the incoming sound waves.
- Calculation of Frequencies:
- Let’s assume that ‘L’ is the length of the organ pipe and ‘v’ is the velocity of sound.
- The frequency of the sound wave in the first mode of vibration is calculated by the formula: $$f_1 = v / 2L$$
- For the second mode of vibration, the frequency of the sound wave is calculated by the formula: $$f_2 = v / L$$
- Similarly, for the third mode of vibration, the frequency of the sound wave is calculated by the formula: $$f_3 = 3v / 2L$$
Summary
Open and closed organ pipes, or mouth organ pipes, are devices designed to create sound using the principle of resonance. These pipes, despite their different constructions, are used to produce sound by forming stationary waves through the reflection and superposition of the incident sound waves. The frequencies of these sound waves in various modes of vibration are calculated using the length of the organ pipe and the velocity of sound. For example, the frequencies in the first, second, and third modes of vibration are given by v/2L, v/L, and 3v/2L, respectively. Understanding the fundamentals of these organ pipes and how they work is key to solving related problems.
LAQ-4 : What is Doppler Effect ? Obtain an expression for the apparent frequency of sound heard when the source is in motion with respect to an observer at rest.
For Backbenchers 😎
Imagine you’re standing on the side of a road, and there’s a car with a siren approaching you. You notice something interesting – as the car gets closer, the siren’s sound seems higher or squeakier, like a cartoon character. But when the car passes and moves away, the siren’s sound becomes deeper or lower. This strange change in sound is because of something called the Doppler Effect.
Now, the Doppler Effect isn’t just about car sirens; it can happen with any kind of wave, including sound waves. It’s all about how things sound when they’re moving. When something making a sound moves toward you, the sound waves get all squished together, like when you squeeze a spring. This makes the sound seem higher in pitch, like when you pinch a balloon. But when the thing making the sound moves away from you, the sound waves stretch out, like when you pull a rubber band. This makes the sound seem lower in pitch, like when you let the air out of a balloon slowly.
We can use a simple formula to figure out exactly how much the sound changes. In this formula, ‘f’ is the regular sound frequency (how fast the sound waves are vibrating), ‘v’ is how fast sound travels in the air, and ‘vs’ is how fast the thing making the sound is moving toward you. The formula is like a math trick that tells us the new sound frequency when things are in motion.
So, in a nutshell, the Doppler Effect is all about how things sound different when they’re moving. If something is coming closer, it sounds higher, and if it’s moving away, it sounds lower. This effect helps explain why sirens and other sounds change when they’re on the move.
మన తెలుగులో
మీరు రోడ్డు పక్కన నిలబడి ఉన్నారని ఊహించుకోండి మరియు సైరన్ ఉన్న కారు మీ దగ్గరకు వస్తోందని ఊహించుకోండి. మీరు ఆసక్తికరమైన విషయాన్ని గమనించవచ్చు – కారు దగ్గరకు వచ్చేసరికి, సైరన్ శబ్దం కార్టూన్ క్యారెక్టర్ లాగా ఎక్కువ లేదా కీచుగా వినిపిస్తుంది. కానీ కారు దాటి వెళ్లినప్పుడు, సైరన్ శబ్దం లోతుగా లేదా తక్కువగా ఉంటుంది. డాప్లర్ ఎఫెక్ట్ అని పిలువబడే ధ్వనిలో ఈ వింత మార్పు.
ఇప్పుడు, డాప్లర్ ప్రభావం కేవలం కారు సైరన్ల గురించి మాత్రమే కాదు; ఇది ధ్వని తరంగాలతో సహా ఏ రకమైన తరంగానైనా జరగవచ్చు. అవి కదులుతున్నప్పుడు విషయాలు ఎలా వినిపిస్తాయి అనే దాని గురించి ఇది అంతా. ఏదైనా శబ్దం మీ వైపు కదులుతున్నప్పుడు, మీరు ఒక స్ప్రింగ్ని పిండినప్పుడు ధ్వని తరంగాలు అన్నీ కలిసి మెలిసిపోతాయి. దీని వలన మీరు బెలూన్ను పించ్ చేసినప్పుడు ధ్వని పిచ్లో ఎక్కువగా కనిపిస్తుంది. కానీ శబ్దం చేసే వస్తువు మీ నుండి దూరంగా వెళ్లినప్పుడు, మీరు రబ్బరు బ్యాండ్ని లాగినట్లుగా ధ్వని తరంగాలు విస్తరించి ఉంటాయి. ఇది బెలూన్ నుండి గాలిని నెమ్మదిగా బయటకు పంపినప్పుడు ధ్వని పిచ్లో తక్కువగా ఉన్నట్లు అనిపిస్తుంది.
ధ్వని ఎంతవరకు మారుతుందో తెలుసుకోవడానికి మనం ఒక సాధారణ సూత్రాన్ని ఉపయోగించవచ్చు. ఈ ఫార్ములాలో, ‘f’ అనేది సాధారణ ధ్వని పౌనఃపున్యం (ధ్వని తరంగాలు ఎంత వేగంగా కంపిస్తాయి), ‘v’ అనేది గాలిలో ధ్వని ఎంత వేగంగా ప్రయాణిస్తుంది మరియు ‘vs’ అంటే ధ్వని మీ వైపు ఎంత వేగంగా కదులుతోంది. . ఫార్ములా అనేది గణిత ట్రిక్ వంటిది, ఇది విషయాలు కదలికలో ఉన్నప్పుడు కొత్త ధ్వని పౌనఃపున్యాన్ని తెలియజేస్తుంది.
కాబట్టి, క్లుప్తంగా చెప్పాలంటే, డాప్లర్ ఎఫెక్ట్ అంటే అవి కదులుతున్నప్పుడు విషయాలు భిన్నంగా ఎలా అనిపిస్తాయి. ఏదైనా దగ్గరికి వస్తున్నట్లయితే, అది ఎక్కువ శబ్దం, మరియు అది దూరంగా వెళుతున్నట్లయితే, అది తక్కువగా ఉంటుంది. సైరన్లు మరియు ఇతర శబ్దాలు కదలికలో ఉన్నప్పుడు ఎందుకు మారుతాయో వివరించడానికి ఈ ప్రభావం సహాయపడుతుంది.
Introduction
The Doppler Effect is a phenomenon observed when there is a change in frequency or wavelength of a wave in relation to an observer who is moving relative to the wave source. This effect can be observed for all types of waves, including sound waves. It explains why the pitch of a moving siren seems higher as it approaches an observer and lower as it moves away.
Obtaining an Expression for Apparent Frequency
When the source is in motion with respect to an observer at rest, the apparent frequency (f′) of the sound heard differs from the actual frequency (f) emitted by the source. Assume that the velocity of sound in the medium is v, the velocity of the source is vs, and the source is moving towards the observer.
The wavelength of the sound waves decreases when the source moves towards the observer, leading to an increase in the frequency of the sound heard. The apparent frequency can be expressed as:
$$f’ = \frac{v}{v – v_s} \times f$$
Here, v is the speed of sound in the medium, vs is the speed of the source towards the observer, and f is the original frequency of the sound.
Key Points
- Doppler Effect: A change in frequency or wavelength of a wave for an observer moving relative to the source of the wave.
- Apparent Frequency: The frequency of sound as perceived by an observer, which changes when the source of the sound is moving.
- Expression for Apparent Frequency: The formula $$f’ = \frac{v}{v – v_s} \times f$$ calculates the apparent frequency when the source is moving towards a stationary observer.
Summary
The Doppler Effect is a crucial concept in understanding how the motion of a sound source relative to an observer affects the perceived sound frequency. By applying the formula for the apparent frequency, one can calculate how the pitch of the sound changes as the source moves towards or away from the observer. This effect has practical applications in various fields, including astronomy, radar, and medical imaging.
LAQ-5 : What is Doppler Shift ? Obtain an expression for the apparent frequency of sound heard when the observer is in motion with respect to a source at rest.
For Backbenchers 😎
Imagine you’re standing still, and a car with a loud horn is driving towards you. At first, the horn sounds normal, like “beep, beep.” But as the car gets closer, the horn seems higher and more like “beep-beep-beep.” This happens because of something called the Doppler Shift, which is like magic that makes sounds change when things are moving.
Now, let’s break it down step by step. The Doppler Shift is all about how sound changes when you or the source of the sound are on the move. In our example, the car is the source, and you’re the one listening.
When the car is far away, it honks its horn, and you hear “beep.” But then, as the car gets closer, it honks more often because it’s catching up to the sound waves it’s making. This makes the sound seem higher or squeakier.
Now, if the car were to drive away from you after passing, the opposite happens. The horn still honks at the same rate, but since the car is moving away, the sound waves it makes get stretched out, and it sounds lower or deeper, like “boop-boop-boop.”
Scientists and engineers use fancy math to figure out exactly how much the sound changes. They use formulas, but don’t worry, you don’t need to know them by heart. Just remember, when something comes closer, it sounds higher, and when it moves away, it sounds lower.
So, in a nutshell, the Doppler Shift is like sound’s little dance when things move. It’s why sirens, cars, and even stars in the sky can sound different depending on whether they’re coming closer or going farther away.
మన తెలుగులో
మీరు నిశ్చలంగా నిలబడి ఉన్నారని ఊహించుకోండి మరియు పెద్ద హార్న్తో కారు మీ వైపు నడుస్తోంది. మొదట, హార్న్ సాధారణంగా “బీప్, బీప్” లాగా ఉంటుంది. కానీ కారు దగ్గరకు వచ్చేసరికి, హారన్ ఎక్కువగా కనిపిస్తుంది మరియు “బీప్-బీప్-బీప్” లాగా కనిపిస్తుంది. డాప్లర్ షిఫ్ట్ అని పిలవబడే ఏదో కారణంగా ఇది జరుగుతుంది, ఇది విషయాలు కదులుతున్నప్పుడు శబ్దాలను మార్చే మ్యాజిక్ లాంటిది.
ఇప్పుడు, దానిని దశలవారీగా విచ్ఛిన్నం చేద్దాం. డాప్లర్ షిఫ్ట్ అనేది మీరు లేదా ధ్వని యొక్క మూలం కదలికలో ఉన్నప్పుడు ధ్వని ఎలా మారుతుందనేది. మా ఉదాహరణలో, కారు మూలం మరియు మీరు వింటారు.
కారు దూరంగా ఉన్నప్పుడు, అది హారన్ మోగిస్తుంది మరియు మీరు “బీప్” వినబడతారు. కానీ తర్వాత, కారు దగ్గరికి వచ్చేసరికి, అది చేసే ధ్వని తరంగాలకు అది తగులుతున్నందున అది మరింత తరచుగా హార్న్ చేస్తుంది. ఇది ధ్వని ఎక్కువగా లేదా స్కీక్గా అనిపించేలా చేస్తుంది.
ఇప్పుడు, ప్రయాణిస్తున్న తర్వాత కారు మీ నుండి దూరంగా వెళితే, దీనికి విరుద్ధంగా జరుగుతుంది. హారన్ ఇప్పటికీ అదే వేగంతో మోగుతుంది, కానీ కారు దూరంగా కదులుతున్నందున, అది చేసే ధ్వని తరంగాలు విస్తరించి ఉంటాయి మరియు అది “బూప్-బూప్-బూప్” లాగా తక్కువగా లేదా లోతుగా ధ్వనిస్తుంది.
శాస్త్రవేత్తలు మరియు ఇంజనీర్లు ధ్వని ఎంతవరకు మారుతుందో గుర్తించడానికి ఫాన్సీ గణితాన్ని ఉపయోగిస్తారు. వారు సూత్రాలను ఉపయోగిస్తారు, కానీ చింతించకండి, మీరు వాటిని హృదయపూర్వకంగా తెలుసుకోవలసిన అవసరం లేదు. గుర్తుంచుకోండి, ఏదైనా దగ్గరగా వచ్చినప్పుడు, అది ఎక్కువగా ఉంటుంది మరియు అది దూరంగా వెళ్ళినప్పుడు, అది తక్కువగా ఉంటుంది.
కాబట్టి, క్లుప్తంగా, డాప్లర్ షిఫ్ట్ విషయాలు కదిలినప్పుడు ధ్వని యొక్క చిన్న నృత్యం లాంటిది. అందుకే సైరన్లు, కార్లు మరియు ఆకాశంలోని నక్షత్రాలు కూడా అవి దగ్గరగా వస్తున్నాయా లేదా దూరంగా వెళ్తున్నాయా అనే దానిపై ఆధారపడి విభిన్నంగా వినిపిస్తాయి.
Introduction
Doppler Shift refers to the change in frequency or wavelength of a wave in relation to an observer who is moving relative to the wave source. It’s an important concept in fields like astronomy, medical imaging, and radar technology. In this article, we’ll explain the Doppler Shift in the context of sound waves, focusing on situations where the source is stationary and the observer is in motion.
Explanation of Doppler Shift
- Defining the Scenario: Let’s say we have a source (s) at rest, which produces a sound of a constant frequency (f0). This sound has a wave period (T0). An observer is moving away from the source with velocity (vo).
- Observer’s Movement and Crest Detection: At time t = 0, the source produces a crest, which is a high point in the wave. The observer carries a device to count the number of these crests. If the distance between the source and observer is ‘L’ and the speed of sound is ‘v’, the time taken by the observer to detect the first crest (t1) can be calculated as L/v.
- Second Crest and Observer’s Movement: The source produces a second crest after a time period T0. During this time, the observer moves a distance of voT0. The time taken by the observer to detect the second crest (t2) can be found by the equation $$T_0 + (L + T_0v_o)/v$$
- Detection of Subsequent Crests: If the source produces the n + 1th crest after a time nT, the time taken by the observer to detect this crest can be calculated with a similar formula.
- Time Gap to Record Crests: The total time to record n crests is the difference between the times it takes to detect the n + 1th crest and the first crest.
- Time Period of Wave Recorded by Observer: The time period of the wave recorded by the observer (T) is the total time (t) divided by the number of crests (n). This gives $$T = T_0(1 + v_o/v)$$
Derivation of Apparent Frequency
Apparent Frequency (f) is the reciprocal of the time period (T). By manipulating the above equation for T, we can find the apparent frequency when the observer is moving away from the source. After expanding and approximating, we get the equation: $$f = f_0(1 – v_o/v)$$
When the observer moves towards the source, the sign of vo changes, and the apparent frequency becomes $$f = f_0(1 + v_o/v)$$
Summary
In summary, the Doppler Shift explains why the frequency of sound appears to change when the observer is moving relative to the source. It’s an essential principle in various scientific and technological applications, providing insights into the dynamic interaction between waves and moving observers.