Du kan föreställa dig vad mekaniska vågor är genom att kasta en sten i vattnet. Cirklarna som visas på den och är omväxlande dalar och åsar är ett exempel på mekaniska vågor. Vad är deras essens? Mekaniska vågor är processen för vibrationsutbredning i elastiska medier.
Vågor på flytande ytor
Sådana mekaniska vågor existerar på grund av påverkan av intermolekylära krafter och gravitation på partiklarna i en vätska. Människor har studerat detta fenomen under lång tid. De mest anmärkningsvärda är havet och havsvågorna. När vindhastigheten ökar ändras de och deras höjd ökar. Formen på själva vågorna blir också mer komplicerad. I havet kan de nå skrämmande proportioner. Ett av de tydligaste exemplen på våld är tsunamin som sveper bort allt i sin väg.
Havs- och havsvågornas energi
När man når stranden ökar havsvågorna med en kraftig förändring i djupet. De når ibland en höjd av flera meter. I sådana ögonblick överförs den kinetiska energin hos en kolossal vattenmassa till kusthinder, som snabbt förstörs under dess inflytande. Bränningens styrka når ibland storslagna värden.
Elastiska vågor
Inom mekaniken studeras inte bara vibrationer på ytan av en vätska, utan även de så kallade elastiska vågorna. Dessa är störningar som fortplantar sig i olika medier under inverkan av elastiska krafter i dem. En sådan störning är varje avvikelse mellan partiklarna i ett givet medium från jämviktspositionen. Ett bra exempel på elastiska vågor är ett långt rep eller gummirör fäst vid något i ena änden. Om du drar åt den, och sedan skapar en störning i dess andra (ofixerade) ände med en tvärgående rörelse, kan du se hur den "löper" längs hela repets längd till stödet och reflekteras tillbaka.
Källa till mekaniska vågor
Den initiala störningen leder till uppkomsten av en våg i mediet. Det orsakas av verkan av någon främmande kropp, som i fysiken kallas källan till vågen. Det kan vara handen på en person som svänger ett rep, eller en sten som kastas i vattnet. I det fall då källans verkan är kortvarig uppträder ofta en ensam våg i mediet. När "störaren" gör långa oscillerande rörelser börjar vågorna dyka upp en efter en.
Villkor för uppkomsten av mekaniska vågor
Denna typ av svängning bildas inte alltid. En nödvändig förutsättning för deras utseende är förekomsten i ögonblicket av störning av mediet av krafter som förhindrar det, i synnerhet elasticitet. De tenderar att föra intilliggande partiklar närmare varandra när de flyttar isär, och trycka dem bort från varandra när de närmar sig varandra. Elastiska krafter som verkar på avstånd frånkälla till störning av partikeln, börja få dem ur balans. Med tiden är alla partiklar i mediet involverade i en oscillerande rörelse. Utbredningen av sådana svängningar är vågen.
Mekaniska vågor i ett elastiskt medium
I en elastisk våg finns det 2 typer av rörelse samtidigt: partikeloscillationer och störningsutbredning. En longitudinell våg är en mekanisk våg vars partiklar oscillerar längs riktningen för dess utbredning. En tvärvåg är en våg vars medelpartiklar oscillerar i riktningen för dess utbredning.
Egenskaper för mekaniska vågor
Störningar i en longitudinell våg är sällsynthet och kompression, och i en tvärgående våg är de förskjutningar (förskjutningar) av vissa lager av mediet i förhållande till andra. Kompressionsdeformationen åtföljs av uppkomsten av elastiska krafter. I detta fall är skjuvdeformation förknippad med utseendet av elastiska krafter uteslutande i fasta ämnen. I gasformiga och flytande medier åtföljs skiftningen av skikten av dessa medier inte av uppkomsten av den nämnda kraften. På grund av sina egenskaper kan longitudinella vågor fortplantas i alla medier, medan tvärgående vågor endast kan fortplanta sig i fasta ämnen.
Vågornas egenskaper på vätskeytan
Vågor på ytan av en vätska är varken längsgående eller tvärgående. De har en mer komplex, så kallad longitudinell-tvärgående karaktär. I detta fall rör sig vätskepartiklarna i en cirkel eller längs långsträckta ellipser. De cirkulära rörelserna av partiklar på ytan av en vätska, och särskilt under stora svängningar, åtföljs av deras långsamma men kontinuerligarör sig i vågens utbredningsriktning. Det är dessa egenskaper hos mekaniska vågor i vattnet som orsakar uppkomsten av olika skaldjur på stranden.
Mekanisk vågfrekvens
Om i ett elastiskt medium (flytande, fast, gasformigt) vibrationer av dess partiklar exciteras, kommer den på grund av interaktionen mellan dem att fortplantas med en hastighet u. Så om en oscillerande kropp befinner sig i ett gasformigt eller flytande medium, kommer dess rörelse att börja överföras till alla partiklar intill den. De kommer att involvera nästa i processen och så vidare. I detta fall kommer absolut alla punkter på mediet att börja svänga med samma frekvens, lika med frekvensen för den oscillerande kroppen. Det är vågens frekvens. Med andra ord kan detta värde karakteriseras som oscillationsfrekvensen för punkter i mediet där vågen utbreder sig.
Det kanske inte är omedelbart klart hur denna process går till. Mekaniska vågor är förknippade med överföringen av energi från oscillerande rörelse från dess källa till mediets periferi. Som ett resultat uppstår så kallade periodiska deformationer, som bärs av vågen från en punkt till en annan. I det här fallet rör sig själva mediets partiklar inte tillsammans med vågen. De svänger nära sin jämviktsposition. Det är därför utbredningen av en mekanisk våg inte åtföljs av överföring av materia från en plats till en annan. Mekaniska vågor har olika frekvenser. Därför delades de in i intervall och skapade en speciell skala. Frekvensen mäts i hertz (Hz).
Grundläggande formler
Mekaniska vågor, vars beräkningsformler är ganska enkla, är ett intressant föremål att studera. Våghastigheten (υ) är hastigheten för dess frontrörelse (platsen för alla punkter till vilka mediets oscillation har nått för tillfället):
υ=√G/ ρ, där ρ är mediets densitet, G är elasticitetsmodulen.
När du beräknar, blanda inte ihop hastigheten för en mekanisk våg i ett medium med rörelsehastigheten för partiklar i mediet som är involverade i vågprocessen. Så, till exempel, fortplantar sig en ljudvåg i luft med en genomsnittlig vibrationshastighet för dess molekyler på 10 m/s, medan hastigheten för en ljudvåg under normala förhållanden är 330 m/s.
Vågfront finns i många former, de enklaste är:
• Sfärisk - orsakad av fluktuationer i ett gasformigt eller flytande medium. I detta fall minskar vågens amplitud med avståndet från källan i omvänd proportion till kvadraten på avståndet.
• Platt - är ett plan som är vinkelrätt mot riktningen för vågens utbredning. Det uppstår till exempel i en sluten kolvcylinder när den svänger. En plan våg kännetecknas av en nästan konstant amplitud. Dess lätta minskning med avståndet från störningskällan är förknippad med graden av viskositet hos det gasformiga eller flytande mediet.
våglängd
Under våglängden förstås det avstånd över vilket dess front kommer att röra sig under den tid somär lika med oscillationsperioden för mediets partiklar:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, där T är svängningsperioden, υ är våghastigheten, ω är den cykliska frekvensen, ν är svängningsfrekvensen för mellanpunkterna.
Eftersom utbredningshastigheten för en mekanisk våg är helt beroende av mediets egenskaper, ändras dess längd λ under övergången från ett medium till ett annat. I detta fall förblir oscillationsfrekvensen ν alltid densamma. Mekaniska och elektromagnetiska vågor liknar varandra genom att energi överförs när de utbreder sig, men ingen materia överförs.
