Detail předmětu

Mechanika a akustika

IMK Ak. rok 2019/2020 letní semestr 6 kreditů

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.

Garant předmětu

Zástupce garanta předmětu

Jazyk výuky

český

Zakončení

klasifikovaný zápočet

Rozsah

26 hod. přednášky, 12 hod. laboratoře, 12 hod. pc laboratoře, 12 hod. projekty

Bodové hodnocení

30 půlsemestrální test, 30 laboratoře, 40 projekty

Zajišťuje ústav

Přednášející

Cvičící

Získané dovednosti, znalosti a kompetence z předmětu

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.

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.

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.

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 či IMA1).

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.

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.

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

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.

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.

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.

Rozvrh

DenTypTýdnyMístn.OdDoPSKSkupInfo
přednáškavýuky A113 08:0009:50 1BIA 1BIB 2BIA 2BIB 3BIT xx Koktavý

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program BIT, 1. ročník, volitelný
  • Program IT-BC-3, obor BIT, 1. ročník, povinný
  • Program IT-BC-3, obor BIT, 1. ročník, volitelný
Nahoru