Zoznam úloh

1. Relativita hlasitosti

Zadanie

Matúš sa snaží cez celý dom dohovoriť s maminou, ktorá práve varí v kuchyni. Tá mu ale kričí, že ho nepočuje cez digestor. Matúš ju však počuje celkom dobre a z jeho pohľadu by sa vedel dohovoriť. Ako je to možné? Popíšte fyzikálny princíp problému.

Ak mamka Matúša nepočuje cez digestor, nech skúsi počúvať cez dvere. Prevrátili ste očami, ja viem. Skutočný vzorák však nebude omnoho náročnejší, ani dlhší. Skontrolovali ste dĺžku vzoráku; podozrievavo nadvihujete obočie. Dobre, tak za samotný vzorák som ešte napísal čosi navyše o zvuku.

Intenzita zvuku klesá so vzdialenosťou. A tak kým Matúš počuje potichu mamku a potichu digestor, mamka počuje potichu Matúša a nahlas digestor. Easy.

Toto ku samotnému riešeniu úlohy; a teraz nejakú fyziku? Iste poznáte takú jednotku, že decibely. A že sa ňou udáva hlasitosť. Ako to s ňou je? Zvuk je však nejaký mechanický pohyb molekúl vzduchu, dávalo by teda zmysel hovoriť o energii či výkone tohoto pohybu, respektíve výkone na plochu. Problém je však taký, že ľudské uši (a i ostatné receptory) musia zaregistrovať ozaj veľmi, veľmi tiché zvuky, súčasne prežiť veľmi silný hluk. Veď človek počuje už zvuk s výkonom , a prah bolesti je až niekde nad . Venujte chvíľu týmto dvom číslam a uvedomte si, aký je medzi nimi rozdiel. Áno, je to niečo okolo 14 rádov. Ako sa teda niečo takéto vyjadruje jednotkami? Decibel je porovnávacia jednotka – predstavte si krabičku, na ktorej je napísané . Do nej i z nej ide kábel – a čo robí takáto krabička? Zosilňuje signál (napríklad elektrické napätie na vstupe) o 20 decibelov. A čo to znamená? 20 decibelov sú dva rády, na výstupe je teda stonásobná energia oproti vstupu. A takáto krabička existuje, volá sa zosilňovač a používam ju v labáku, okrem toho je súčasťou mnohých zariadení. Pýtate sa – čo majú tieto decibly so zvukom? Zatiaľ nič, ale bolo zadefinovené, že zvuk s intenzitou je hranica počuteľnosti a tejto hladine priradili konkrétnu hodnotu výkonu na plochu. Potom zvuk s intenzitou napríklad je (v duchu rátame – trikrát desať decibelov, to sú tri rády) tisíckrát silnejší v energii na plochu. A vieme to aplikovať na úlohu? Ak by sme si tipli, že pri prechode bytom zvuk zoslabne o , teda o jeden rád. No a ak Matúš, mamka, aj digestor vydávajú zvuk s rovnakou intenzitou, potom mamka počuje Matúša o slabšie ako digestor, no Matúš počuje mamku a digestor rovnako nahlas.

A ešte jednu drobnosť sem skúsim vpašovať – ako klesá intenzita zvuku? Iste ľahko vygooglite, že nepriamo úmerne druhej mocnine vzdialenosti od zdroja a uspokojiť sa s tým. Je za tým jednoduchá (a správna!) predstava – ak si predstavíte zdroj zvuku a pozorovateľa (poslucháča?) vo vzdialenosti $R$, potom energia, ktorú vydal reproduktor, sa musela rovnomerne rozložiť na povrchu guľovej plochy s polomerom $R$. A ako veľký je tento povrch? No predsa $4\pi R^2$, teda intenzita ozaj klesá s faktorom $1/R^2$.

Pre odovzdávanie sa musíš prihlásiť.