Mekaniske bølger: kilde, egenskaber, formler

Du kan forestille dig, hvad mekaniske bølger er,kaste en sten i vandet. Cirklerne, der vises på det og skifter fordybninger og rygge, er et eksempel på mekaniske bølger. Hvad er deres essens? Mekaniske bølger er processen med udbredelse af vibrationer i elastiske medier.

Bølger på væskens overflader

Sådanne mekaniske bølger findes pgavirkningen af ​​kræfterne ved intermolekylær interaktion og tyngdekraft på de flydende partikler. Folk har studeret dette fænomen i lang tid. Det mest bemærkelsesværdige er hav- og havbølger. Når vindhastigheden stiger, skifter de, og deres højde stiger. Selve bølgenes form bliver også mere kompliceret. I havet kan de nå skræmmende proportioner. Et af de klareste eksempler på magt er tsunamien, der fejer alt, hvad der er i vejen.

Energi fra hav- og havbølger

Nå ud til kysten, havbølger med en skarpændringer i dybdeforøgelse. De når nogle gange højder på flere meter. På sådanne øjeblikke overføres den kinetiske energi fra en kolossal vandmasse til kystnære forhindringer, som hurtigt ødelægges under dens indflydelse. Brændingens styrke når undertiden storslåede værdier.

Elastiske bølger

Inden for mekanik vibrerer ikke kunflydende overflade, men også de såkaldte elastiske bølger. Dette er forstyrrelser, der forplantes i forskellige medier under påvirkning af elastiske kræfter i dem. En sådan forstyrrelse er enhver afvigelse af partikler fra et givet miljø fra ligevægtspositionen. Et godt eksempel på elastiske bølger er et langt reb eller gummirør fastgjort i den ene ende til noget. Hvis du trækker det stramt og derefter med en skarp bevægelse i siden skaber en forstyrrelse i sin anden (usikrede) ende, kan du se, hvordan det vil "løbe" langs hele rebets længde til støtten og reflekteres tilbage.

Mekanisk bølgekilde

Den indledende forstyrrelse fører til udseendet ibølgemiljø. Det er forårsaget af et fremmedlegems handling, som i fysik kaldes kilden til bølgen. Det kan være en persons hånd, der svinger rebet, eller en sten, der kastes i vandet. I det tilfælde, hvor kildens handling er kortvarig, forekommer der ofte en enkelt bølge i mediet. Når "forstyrreren" laver lange vibrationsbevægelser, begynder bølger at opstå efter hinanden.

Betingelser for forekomst af mekaniske bølger

Denne form for vibrationer dannes ikke altid.En nødvendig betingelse for deres udseende er udseendet i øjeblikket med forstyrrelse af det kræftmedium, der forhindrer det, især elasticitet. De har en tendens til at bringe nabopartikler tættere på hinanden, når de divergerer, og skubbe dem væk fra hinanden i øjeblikket. Elastiske kræfter, der virker på partikler fjernt fra forstyrrelseskilden, begynder at afbalancere dem. Over tid er alle partikler af mediet involveret i en oscillerende bevægelse. Spredningen af ​​sådanne vibrationer er en bølge.

Mekaniske bølger i et elastisk medium

Der er to typer bevægelse i en elastisk bølgepå samme tid: partikelsvingninger og forstyrrelsesformering. Langsgående er en mekanisk bølge, hvis partikler vibrerer i retning af dens udbredelse. Tværgående er en bølge, hvis partikler af mediet vibrerer i retning af dens udbredelse.

Mekaniske bølgeegenskaber

Forstyrrelser i den langsgående bølge ersjældenhed og kompression og i tværgående forskydninger (forskydninger) af nogle lag af mediet i forhold til andre. Kompressionsdeformation ledsages af udseendet af elastiske kræfter. I dette tilfælde er forskydningsdeformation forbundet med udseendet af elastiske kræfter udelukkende i faste stoffer. I gasformige og flydende medier ledsages forskydningen af ​​lagene i disse medier ikke af forekomsten af ​​den nævnte kraft. På grund af deres egenskaber er længdebølger i stand til at sprede sig i ethvert medium og på tværs - udelukkende i faste.

Funktioner af bølger på overfladen af ​​væsker

Bølger på væskeoverfladen er ikke langsgående og ikketværgående. De har en mere kompleks, såkaldt langsgående-tværgående karakter. I dette tilfælde bevæger væskepartikler sig i en cirkel eller langs aflange ellipser. Cirkulær bevægelse af partikler på overfladen af ​​en væske og især ved store vibrationer ledsages af deres langsomme, men kontinuerlige bevægelse i retning af bølgeforplantning. Det er disse egenskaber ved mekaniske bølger i vand, der bestemmer udseendet af forskellige fisk og skaldyr på kysten.

Mekanisk bølgefrekvens

Hvis det er i et elastisk medium (flydende, fast,gasformig) ophidser partiklernes vibrationer, så på grund af interaktionen mellem dem vil den forplante sig med en hastighed u. Så hvis der er et oscillerende legeme i et gasformigt eller flydende medium, vil dets bevægelse begynde at blive overført til alle partikler, der støder op til det. De vil involvere andre i processen osv. I dette tilfælde vil absolut alle punkter i mediet vibrere med den samme frekvens, lig frekvensen af ​​det vibrerende legeme. Det er bølgefrekvensen. Med andre ord kan denne størrelse karakteriseres som frekvensen for svingning af punkter i mediet, hvor bølgen udbreder sig.

Det er muligvis ikke umiddelbart klart, hvordandenne proces finder sted. Overførsel af vibrationsbevægelsesenergi fra dens kilde til periferien af ​​mediet er forbundet med mekaniske bølger. I løbet af dette opstår de såkaldte periodiske deformationer, som overføres af bølgen fra et punkt til et andet. I dette tilfælde bevæger sig partiklerne i mediet ikke sig med bølgen. De svinger nær deres ligevægtsposition. Det er grunden til, at udbredelsen af ​​en mekanisk bølge ikke ledsages af overførsel af stof fra et sted til et andet. Mekaniske bølger har forskellige frekvenser. Derfor blev de opdelt i intervaller, og der blev oprettet en særlig skala. Frekvensen måles i hertz (Hz).

Grundlæggende formler

Mekaniske bølger, formlerne til beregning af hvilkeganske simpelt, er et interessant emne at studere. Hastigheden på bølgen (υ) er bevægelseshastigheden på dens forside (den geometriske placering af alle punkter, som mediumets svingning har nået i øjeblikket):

υ = √G / ρ,

hvor ρ er mediumets tæthed, er G elastisk modul.

Ved beregning må du ikke forveksle hastigheden på det mekaniskebølger i et medium med bevægelseshastigheden for partikler i mediet, som er involveret i bølgeprocessen. Så for eksempel formeres en lydbølge i luft med en gennemsnitlig vibrationshastighed for dens molekyler på 10 m / s, mens lydbølgens hastighed under normale forhold er 330 m / s.

Bølgefronten er af forskellige typer, hvoraf de enkleste er:

• Sfærisk - forårsaget af vibrationer i et luftformigt eller flydende medium. I dette tilfælde falder bølgeamplituden med afstanden fra kilden i omvendt forhold til kvadratet for afstanden.

• Flad - repræsenterer et plan, dervinkelret på retningen af ​​bølgeforplantning. Det forekommer for eksempel i en lukket stempelcylinder, når den svinger. En plan bølge er kendetegnet ved en næsten konstant amplitude. Dens lille fald med afstanden fra forstyrrelseskilden er forbundet med viskositeten af ​​det gasformige eller flydende medium.

Bølgelængde

Bølgelængden forstås som den afstand, hvortil dens front vil blive bevæget i en tid, der er lig med svingningsperioden for partiklerne i mediet:

λ = υT = υ / v = 2πυ / ω,

hvor T er svingningsperioden, υ er bølgehastigheden, ω er den cykliske frekvens, ν er svingningsfrekvensen for mediumets punkter.

Siden hastigheden for formering af mekaniskebølgen er fuldstændig afhængig af mediets egenskaber, så ændres dens længde λ under overgangen fra et medium til et andet. I dette tilfælde forbliver vibrationsfrekvensen ν altid den samme. Mekaniske og elektromagnetiske bølger ligner hinanden, at når de udbreder sig, overføres energi, men ingen ting overføres.