Ένας μοτοσικλετιστής που βρίσκεται σε απόσταση \(d = 400m\) από μια ακίνητη ηχητική πηγή συχνότητας \(540Hz\) αρχίζει να κινείται προς αυτή με σταθερή επιτάχυνση. Η συχνότητα του ήχου που αντιλαμβάνεται τη στιγμή που φτάνει στην πηγή είναι \(603,5 Hz\). Να υπολογίσετε την επιτάχυνσή του και να παραστήσετε γραφικά τη συχνότητα που αντιλαμβάνεται ο μοτοσυκλετιστής σε συνάρτηση με το χρόνο. Η ταχύτητα του ήχου στον αέρα είναι \(340m/s\).

Η συχνότητα του ήχου που ακούει ο κινούμενος παρατηρητής δίνεται από τη σχέση

\[f_A = \frac{υ+υ_Α}{υ} \cdot f_S\]

άρα η ταχύτητα με την οποία κινείται κάθε στιγμή ο παρατηρητής δίνεται από τη σχέση

\[υ_Α = \frac{f_A - f_S}{f_S} \cdot υ\]

Θέτουμε \(f_A = 603,5Hz\) και βρίσκουμε την ταχύτητα του παρατηρητή τη στιγμή που φτάνει στην πηγή \(υ_Α = 40 \frac{m}{s}\)

Ο παρατηρητής κάνει ομαλά επιταχυνόμενη κίνηση χωρίς αρχική ταχύτητα οπότε

\[υ_A = a \cdot t\] \[d = \frac{1}{2}\cdot a \cdot t^2\]

Απαλείφουμε το χρόνο από τις παραπάνω εξισώσεις και βρίσκουμε

\[a = 2 \frac{m}{s^2}\]

Για την συχνότητα που αντιλαμβάνεται ο παρατηρητής μέχρι την πηγή έχουμε την σχέση

\[f_A = \frac{υ+ a \cdot t}{υ} \cdot f_S \Rightarrow f_A = 540 + \frac{54}{17} \cdot t\]

H συνάρτηση έχει πεδίο ορισμού

\[0 \le t < 20s\]

H συχνότητα που αντιλαμβάνεται ο παρατηρητής την στιγμή που βρίσκεται ακριβώς στην πηγή είναι \(f_A = f_S = 540 Hz\), ενώ η συχνότητα που αντιλαμβάνεται αφού διέλθει από την πηγή δίνεται από την σχέση

\[f_A = \frac{υ - a \cdot t}{υ} \cdot f_S \Rightarrow f_A = 540 - \frac{54}{17} \cdot t\]

H συνάρτηση έχει πεδίο ορισμού

\[20 \le t < 170s\]

και η γραφική παράσταση και για τους δυο κλάδους της συνάρτησης φαίνεται στο σχήμα. H φυσική σημασία του μηδενισμού της συχνότητας που αντιλαμβάνεται ο παρατηρητής είναι η εξής: Την χρονική στιγμή \(t=170s\), o παρατηρητής έχει αποκτήσει ταχύτητα

\[υ = a \cdot t \Rightarrow υ=340 \frac{m}{s}\]

δηλαδή σπάει το φράγμα του ήχου και κινείται με μεγαλύτερη ταχύτητα και γι αυτό το λόγο μηδενίζεται η συχνότητα που αντιλαμβάνεται.

σχήμα

και ο κώδικας σε mathematica

	f[t] := 540 + 54t/17
	h[t] := 540
	g[t] := 540 - 54t/17
	Show[{Plot[f[t], {t, 0, 20}, PlotStyle -> Blue], 
   			Plot[h[t], {t, 20, 20.1}, PlotStyle -> Black],
 				Plot[g[t], {t, 20, 170}, PlotStyle -> Red]},
 					PlotRange -> All,
 					GridLines -> Automatic,  
 					Background -> LightBlue, 
 					PlotLabel -> "syxnothta", 
 					AxesLabel -> {"t(s)","f(Hz)"}, 
 					AxesOrigin -> {0, 0}, 
 					Filling -> Automatic]


blog comments powered by Disqus

Published

22 January 2016

Category

Άσκηση

Tags