Název:

Mechanika a akustika

Zkratka:IMK
Ak.rok:2018/2019 (není otevřen)
Semestr:letní
Studijní plán:
ProgramObor/
specializace
RočníkPovinnost
BIT-1.volitelný
IT-BC-3BIT1.povinný
IT-BC-3BIT1.volitelný
Vyučovací jazyk:čeština
Kredity:6 kreditů
Ukončení:klasifikovaný zápočet
Výuka:
hod./sempřednáškasem./cvič.lab. cvič.poč. cvič.jiná
Rozsah:260121212
 zkouškatestycvičenílaboratořeostatní
Body:03003040
Garant:Koktavý Pavel, prof. Ing., CSc. Ph.D. (UFYZ)
Zástupce garanta:Grmela Lubomír, prof. Ing., CSc. (UFYZ)
Přednášející:Koktavý Pavel, prof. Ing., CSc. Ph.D. (UFYZ)
Fakulta:Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Pracoviště:Ústav fyziky FEKT VUT
 
Cíle předmětu:
  Porozumět základním fyzikálním jevům z oblasti mechaniky a akustiky s důrazem na zvládnutí sestavení popisu a nalezení řešení základních problémů z těchto oblastí tak, aby získané dovednosti mohly být později využitelné v některých aplikacích v informatice, např. při práci se signály nebo při modelování a simulacích.
Anotace:
  Předmět podává přehled základních pojmů a zákonů z oblasti mechaniky těles. Studenti jsou zde seznámeni s postupy při sestavování pohybových rovnic a využitím softwarových prostředků pro jejich řešení, s problematikou volby počátečních podmínek, zobrazením a interpretací získaného řešení. Jsou zde představeny základní veličiny a principy z oblasti akustiky, především pak z akustiky fyzikální, hudební a fyziologické. Studentům jsou podány i základní informace o ultrazvuku a infrazvuku.
Požadované prerekvizitní znalosti a dovednosti:
  Základy vektorové algebry a základní znalosti diferenciálního a integrálního počtu. Pro studenty prvního ročníku je dostačující průběžné získání znalostí z oblasti diferenciálního a integrálního počtu v paralelně probíhajícím povinném předmětu Matematická analýza (IMA).
Získané dovednosti, znalosti a kompetence:
  Studenti rozumí základním fyzikálním dějům z oblasti mechaniky a akustiky, dovedou formulovat příslušné zákony slovně i matematicky, umí řešit základní problémy vztahující se k uvedeným dějům s využitím vhodné softwarové podpory a dovedou prezentovat a interpretovat získané výsledky. Jsou schopni popsat a vysvětlit provedené laboratorní experimenty.
Proč je předmět vyučován:
  Pro studenty školy tohoto typu je velmi důležité umět analyzovat, popsat a řešit technické problémy a situace, se kterými se kolem sebe běžné setkávají.
Kromě těchto obecných dovedností si studenti osvojí mnoho konkrétních znalostí z oblasti mechaniky a akustiky, které pak s výhodou využijí v řadě dalších předmětů, např. tam, kde se budou zabývat prací se signály nebo modelováním a simulacemi.
Osnova přednášek:
 
  1. Kinematika hmotného bodu. Poloha, rychlost a zrychlení, přímočarý a křivočarý pohyb, princip superpozice, pohyb po kružnici.
  2. Dynamika hmotného bodu. Newtonovy zákony, pohybová rovnice, inerciální a neinerciální soustavy, dráhový a časový účinek síly, energie a hybnost, moment síly a hybnosti
  3. Gravitační pole. Newtonův gravitační zákon, intenzita a potenciál, pohyby planet a družic.
  4. Soustava hmotných bodů a tuhé těleso. Těžiště, impulzové věty, rovnováha a pohyb, kinetická energie, moment setrvačnosti, tření, kyvadla, setrvačník, gyroskop.
  5. Ráz těles. Nárazové síly, dokonale pružný a nepružný ráz, přímý a šikmý ráz, rotační ráz, míč, odraz od stěny, kulečník, rázostroj.
  6. Deterministický chaos v mechanických systémech. Podmínky pro chaotické chování, atraktor, podivný atraktor, dvojité kyvadlo.
  7. Základy analytické mechaniky. Zobecněné souřadnice a síly, Lagrangeovy rovnice 2. druhu, matematické kyvadlo, částice v centrálním poli, problém dvou a tří těles.
  8. Kmity. Kmitavý pohyb, oscilátor, harmonické kmity, skládání a rozklad kmitů, vlastní, tlumené a nucené kmity, vázané oscilátory.
  9. Vlny. Postupná vlna, fázová rychlost, odraz, lom, ohyb, superpozice a interference, stojatá vlna, vlastní kmity na struně a v trubici, vlnová rovnice.
  10. Fyzikální akustika. Akustická výchylka a tlak, rychlost šíření zvuku, akustická impedance, měrný výkon a intenzita, hladiny akustického tlaku a intenzity, zvukové pole, Dopplerův jev.
  11. Hudební akustika. Tón a hluk, hudební interval, konsonance a disonance, hudební stupnice, přirozené a temperované ladění, barva tónu, hudební nástroje, šum.
  12. Fyziologická akustika. Vnímání zvuku, spektrální složení, součtové a rozdílové tóny, hlasitost, maskování, měření zvuku, hluk.
  13. Ultrazvuk a infrazvuk. Vlastnosti, zdroje a detektory, šíření, účinky, využití, ultrazvuková diagnostika a defektoskopie.
Osnova laboratorních cvičení:
 Laboratorní cvičení o délce 2 hodin probíhají jedenkrát za 2 týdny.
  1. Pohyb tělesa na nakloněné rovině, nárazové síly.
  2. Moment setrvačnosti, setrvačník.
  3. Studium kmitavého pohybu.
  4. Skládání a rozklad periodických signálů, součtové a rozdílové tóny, maskování zvuku.
  5. Vlastní kmity struny.
  6. Měření zvuku/hluku, Dopplerův jev, ultrazvuková diagnostika.
Osnova počítačových cvičení:
 
Počítačová cvičení o délce 2 hodin probíhají jedenkrát za 2 týdny.
  1. Mechanika hmotného bodu - šikmý vrh, nakloněná rovina, sestavení pohybové rovnice, softwarové nástroje pro její řešení, volba počátečních podmínek, zobrazení a interpretace řešení.
  2. Gravitační pole - řešení pohybů těles v centrálním poli.
  3. Tuhé těleso - pohybové rovnice pro posuvný a otáčivý pohyb, setrvačník, rázy.
  4. Kyvadla - lineární a nelineární popis, chaotické chování dvojitého kyvadla.
  5. Kmity - vlastní, tlumené a nucené kmity, vázané oscilátory, Lissajousovy obrazce.
  6. Akustika - superpozice a interference vln, vznik součtových a rozdílových tónů.
Osnova ostatní - projekty, práce:
 Každý student řeší dva projekty, každý z nich obsahuje vybrané problémy z dané oblasti. Student pro každý problém sestaví jeho popis a následně s vhodnou softwarovou podporou provede jeho řešení se zobrazením a diskuzí výsledků, resp. simuluje průběh zadaného děje.
  1. Individuální projekt č. 1 (20 bodů): Mechanika
  2. Individuální projekt č. 2 (20 bodů): Akustika
Literatura referenční:
 
  • Halliday, D.; Resnick, R.; Walker, J. Fyzika. Vysoké učení technické v Brně, VUTIUM, Prometheus Praha, 2000, 2003, 2006, 2013.
  • Feynman, R; Leighton, R; Sands, M. Feynmanovy přednášky z fyziky 1-3, Fragment 2001, 2007, 2013.
Literatura studijní:
 
  • Halliday, D.; Resnick, R.; Walker, J. Fyzika. Vysoké učení technické v Brně, VUTIUM, Prometheus Praha, 2000, 2003, 2006, 2013.
  • Texty přednášek, návody k laboratorním a počítačovým cvičením ve formátu pdf.
Kontrolovaná výuka:
  
Účast na přednáškách není povinná. Znalosti studentů jsou ověřeny vypracováním dvou individuálních projektů a závěrečnou samostatnou prací (písemná práce s využitím softwarové podpory).
Povinnou výukou jsou laboratorní cvičení a počítačová cvičení. Řádně omluvená cvičení je možné si nahradit. V laboratorním cvičení studenti protokoly nevypracovávají, vyhodnocení měření je prováděno přímo v hodině.
Průběžná kontrola studia:
  
  • Laboratorní cvičení: 30 bodů. Body se přidělují za práci a aktivitu ve cvičení. Protokoly se nevypracovávají.
  • Dva individuální projekty: celkem 40 bodů.
  • Závěrečná samostatná práce (písemná práce s využitím softwarové podpory): 30 bodů.
Podmínky zápočtu:
  Pro udělení zápočtu je nutné zúčastnit se všech laboratorních a počítačových cvičení. Řádně omluvená cvičení je možné si nahradit.

V průběhu semestru lze získat bodové hodnocení za závěrečnou samostatnou práci (písemná práce s využitím softwarové podpory), dva projekty a práci v laboratorním cvičení. Pro udělení zápočtu je nutné získat minimálně 50 bodů. Klasifikace je prováděna podle standardní stupnice.

 

Vaše IPv4 adresa: 54.161.118.57