Du kan forestille deg hva mekaniske bølger er ved å kaste en stein i vannet. Sirklene som vises på den og er vekslende trau og rygger er et eksempel på mekaniske bølger. Hva er essensen deres? Mekaniske bølger er prosessen med vibrasjonsutbredelse i elastiske medier.
Bølger på væskeoverflater
Slike mekaniske bølger eksisterer på grunn av påvirkningen av intermolekylære krefter og gravitasjon på partiklene i en væske. Folk har studert dette fenomenet i lang tid. De mest bemerkelsesverdige er havet og havbølgene. Når vindhastigheten øker, endres de og høyden øker. Formen på selve bølgene blir også mer komplisert. I havet kan de nå skremmende proporsjoner. Et av de tydeligste eksemplene på makt er tsunamien som feier bort alt i sin vei.
Sjø- og havbølgers energi
Når man når kysten, øker havbølgene med en kraftig endring i dybden. Noen ganger når de en høyde på flere meter. I slike øyeblikk overføres den kinetiske energien til en kolossal vannmasse til kysthindringer, som raskt blir ødelagt under dens påvirkning. Styrken til brenningene når noen ganger grandiose verdier.
Elastiske bølger
I mekanikk studeres ikke bare vibrasjoner på overflaten av en væske, men også de såk alte elastiske bølgene. Dette er forstyrrelser som forplanter seg i forskjellige medier under påvirkning av elastiske krefter i dem. En slik forstyrrelse er ethvert avvik av partiklene i et gitt medium fra likevektsposisjonen. Et godt eksempel på elastiske bølger er et langt tau eller gummirør festet til noe i den ene enden. Hvis du trekker den stramt, og deretter skaper en forstyrrelse i den andre (ufikserte) enden med en skarp sidebevegelse, kan du se hvordan den "løper" langs hele tauets lengde til støtten og reflekteres tilbake.
Kilde til mekaniske bølger
Den første forstyrrelsen fører til at det vises en bølge i mediet. Det er forårsaket av virkningen av et fremmedlegeme, som i fysikk kalles kilden til bølgen. Det kan være hånden til en person som svinger et tau, eller en småstein kastet i vannet. I tilfellet når virkningen av kilden er kortvarig, vises ofte en enslig bølge i mediet. Når «forstyrren» gjør lange oscillerende bevegelser, begynner bølger å dukke opp etter hverandre.
Betingelser for forekomst av mekaniske bølger
Denne typen oscillasjon dannes ikke alltid. En nødvendig betingelse for deres utseende er forekomsten i øyeblikket av forstyrrelse av mediet av krefter som forhindrer det, spesielt elastisitet. De har en tendens til å bringe nabopartikler nærmere hverandre når de beveger seg fra hverandre, og skyve dem vekk fra hverandre når de nærmer seg hverandre. Elastiske krefter som virker på fjernt frakilde til forstyrrelse av partikkelen, begynner å bringe dem ut av balanse. Over tid er alle partikler i mediet involvert i en oscillerende bevegelse. Utbredelsen av slike oscillasjoner er bølgen.
Mekaniske bølger i et elastisk medium
I en elastisk bølge er det 2 typer bevegelse samtidig: partikkeloscillasjoner og perturbasjonsutbredelse. En langsgående bølge er en mekanisk bølge hvis partikler oscillerer langs forplantningsretningen. En tverrbølge er en bølge hvis medium partikler oscillerer på tvers av utbredelsesretningen.
Egenskaper til mekaniske bølger
Perturbasjoner i en langsgående bølge er sjeldenhet og kompresjon, og i en tverrbølge er de forskyvninger (forskyvninger) av noen lag av mediet i forhold til andre. Kompresjonsdeformasjonen er ledsaget av utseendet av elastiske krefter. I dette tilfellet er skjærdeformasjon assosiert med utseendet av elastiske krefter utelukkende i faste stoffer. I gassformige og flytende medier er ikke forskyvningen av lagene i disse mediene ledsaget av utseendet til den nevnte kraften. På grunn av egenskapene deres kan langsgående bølger forplante seg i alle medier, mens tverrgående bølger bare kan forplante seg i faste stoffer.
Bølger på overflaten av væsker
Bølger på overflaten av en væske er verken langsgående eller tverrgående. De har en mer kompleks, såk alt langsgående-tverrgående karakter. I dette tilfellet beveger væskepartiklene seg i en sirkel eller langs langstrakte ellipser. De sirkulære bevegelsene til partikler på overflaten av en væske, og spesielt under store svingninger, er ledsaget av deres langsomme, men kontinuerligebeveger seg i retning av bølgeutbredelse. Det er disse egenskapene til mekaniske bølger i vannet som forårsaker utseendet til ulike sjømat på kysten.
Mekanisk bølgefrekvens
Hvis i et elastisk medium (flytende, fast, gassformig) vibrasjon av partiklene eksiteres, vil den på grunn av samspillet mellom dem forplante seg med en hastighet u. Så hvis et oscillerende legeme er i et gassformig eller flytende medium, vil bevegelsen begynne å bli overført til alle partikler ved siden av det. De vil involvere de neste i prosessen og så videre. I dette tilfellet vil absolutt alle punkter på mediet begynne å svinge med samme frekvens, lik frekvensen til det oscillerende legemet. Det er frekvensen til bølgen. Med andre ord kan denne verdien karakteriseres som oscillasjonsfrekvensen til punkter i mediet der bølgen forplanter seg.
Det er kanskje ikke umiddelbart klart hvordan denne prosessen skjer. Mekaniske bølger er assosiert med overføring av energi fra oscillerende bevegelse fra kilden til periferien av mediet. Som et resultat oppstår såk alte periodiske deformasjoner, som bæres av bølgen fra ett punkt til et annet. I dette tilfellet beveger ikke partiklene i selve mediet seg sammen med bølgen. De svinger nær sin likevektsposisjon. Det er grunnen til at forplantningen av en mekanisk bølge ikke er ledsaget av overføring av materie fra ett sted til et annet. Mekaniske bølger har forskjellige frekvenser. Derfor ble de delt inn i områder og laget en spesiell skala. Frekvensen måles i hertz (Hz).
Grunnleggende formler
Mekaniske bølger, hvis beregningsformler er ganske enkle, er et interessant objekt å studere. Bølgehastigheten (υ) er hastigheten på dens frontbevegelse (stedet for alle punkter som mediets oscillasjon har nådd for øyeblikket):
υ=√G/ ρ, hvor ρ er tettheten til mediet, G er elastisitetsmodulen.
Når du beregner, må du ikke forveksle hastigheten til en mekanisk bølge i et medium med bevegelseshastigheten til partikler av mediet som er involvert i bølgeprosessen. Så for eksempel forplanter en lydbølge i luft seg med en gjennomsnittlig vibrasjonshastighet for molekylene på 10 m/s, mens hastigheten til en lydbølge under normale forhold er 330 m/s.
Bølgefront kommer i mange former, de enkleste er:
• Sfærisk - forårsaket av fluktuasjoner i et gassformig eller flytende medium. I dette tilfellet avtar amplituden til bølgen med avstanden fra kilden i omvendt proporsjon med kvadratet på avstanden.
• Flat - er et plan som er vinkelrett på retningen for bølgeutbredelse. Det oppstår for eksempel i en lukket stempelsylinder når den svinger. En plan bølge er preget av en nesten konstant amplitude. Dens svake reduksjon med avstanden fra kilden til forstyrrelse er assosiert med viskositeten til det gassformige eller flytende mediet.
Bølgelengde
Under bølgelengden forstås avstanden som fronten vil bevege seg over i tiden somtilsvarer oscillasjonsperioden for partiklene i mediet:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, hvor T er oscillasjonsperioden, υ er bølgehastigheten, ω er den sykliske frekvensen, ν er oscillasjonsfrekvensen til mellompunktene.
Siden forplantningshastigheten til en mekanisk bølge er helt avhengig av egenskapene til mediet, endres lengden λ under overgangen fra et medium til et annet. I dette tilfellet forblir oscillasjonsfrekvensen ν alltid den samme. Mekaniske og elektromagnetiske bølger er like ved at når de forplanter seg, overføres energi, men ingen materie overføres.
