Μηχανικά κύματα: πηγή, ιδιότητες, τύποι

Μπορούμε να φανταστούμε ποια είναι τα μηχανικά κύματα,ρίχνοντας μια πέτρα στο νερό. Οι κύκλοι που εμφανίζονται σε αυτό και είναι εναλλασσόμενες κοιλότητες και κορυφογραμμές είναι ένα παράδειγμα μηχανικών κυμάτων. Ποια είναι η φύση τους; Τα μηχανικά κύματα είναι η διαδικασία διάδοσης κραδασμών σε ελαστικά μέσα.

Κύματα στις επιφάνειες υγρών

Τέτοια μηχανικά κύματα υπάρχουν λόγωΕπιδράσεις των υγρών σωματιδίων και διαμοριακές δυνάμεις της βαρύτητας. Οι άνθρωποι εδώ και καιρό μελετούν αυτό το φαινόμενο. Το πιο αξιοσημείωτο είναι τα κύματα της θάλασσας και των ωκεανών. Καθώς αυξάνεται η ταχύτητα του ανέμου, αλλάζουν και το ύψος τους αυξάνεται. Το σχήμα των ίδιων των κυμάτων είναι επίσης περίπλοκο. Στον ωκεανό, μπορούν να φτάσουν τρομακτικές διαστάσεις. Ένα από τα πιο προφανή παραδείγματα είναι η δύναμη του τσουνάμι που σαρώνει τα πάντα στο πέρασμά του.

Ενέργεια των κυμάτων των θαλασσών και των ωκεανών

Φτάνοντας στην ακτή, τα κύματα της θάλασσας με μια απότομηαλλάζοντας το βάθος αυξάνει. Μερικές φορές φτάνουν σε ύψος αρκετών μέτρων. Σε τέτοιες στιγμές, η κινητική ενέργεια μιας κολοσσιαίας μάζας νερού μεταδίδεται σε παράκτια εμπόδια, τα οποία γρήγορα καταρρέουν υπό την επιρροή της. Η δύναμη των κυμάτων φθάνει μερικές φορές μεγαλοπρεπές τιμές.

Ελαστικά κύματα

Στη μηχανική, μελετώνται όχι μόνο οι δονήσειςυγρή επιφάνεια, αλλά και τα επονομαζόμενα ελαστικά κύματα. Αυτές είναι διαταραχές που διαδίδονται σε διαφορετικά μέσα υπό τη δράση των ελαστικών δυνάμεων σε αυτά. Μια τέτοια διαταραχή είναι οποιαδήποτε απόκλιση σωματιδίων ενός δεδομένου μέσου από τη θέση ισορροπίας. Ένα καλό παράδειγμα ελαστικών κυμάτων είναι ένα μακρύ σχοινί ή ένας λαστιχένιος σωλήνας συνδεδεμένος στο ένα άκρο σε κάτι. Αν το τραβήξετε σφιχτά και στη συνέχεια δημιουργήσετε μια διαταραχή στο δεύτερο (χαλαρό) άκρο του με μια πλάγια κίνηση, μπορείτε να δείτε πώς "περνάει" όλο το μήκος του σχοινιού στο στήριγμα και ανακλάται πίσω.

Πηγή των μηχανικών κυμάτων

Η αρχική διαταραχή οδηγεί σεκύμα περιβάλλον. Προκαλείται από τη δράση ενός ξένου σώματος, το οποίο στη φυσική ονομάζεται πηγή κύματος. Μπορεί να είναι το χέρι ενός ατόμου που έχει κουρέψει το σχοινί, ή ένα βότσαλο που ρίχτηκε στο νερό. Στην περίπτωση που η δράση της πηγής είναι βραχυπρόθεσμης φύσης, εμφανίζεται συχνά ένα μεμονωμένο κύμα στο μέσο. Όταν ο "διαταραγμένος" κάνει μεγάλες ταλαντευτικές κινήσεις, τα κύματα αρχίζουν να αναδύονται το ένα μετά το άλλο.

Συνθήκες μηχανικών κυμάτων

Τέτοιες διακυμάνσεις δεν διαμορφώνονται πάντοτε.Απαραίτητη προϋπόθεση για την εμφάνισή τους είναι η εμφάνιση κατά τη στιγμή της μέσης όχλησης που εμποδίζουν τον δύναμη, ιδίως ελαστικότητα. Επιδιώκουν να φέρει σε επαφή τα γειτονικά σωματίδια όταν διαχωρίζονται, και αποξενώνουν τους ο ένας από τον άλλο κατά τη στιγμή της σύγκλισης. ελαστική δύναμη που ενεργεί πάνω στα σωματίδια αποσπαστούν από την πηγή της διαταραχής, αρχίζουν να τους τραβήξει έξω από την ισορροπία. Με την πάροδο του χρόνου, όλα τα σωματίδια του μέσου εμπλέκονται σε μία ταλαντωτική κίνηση. Η διάδοση τέτοιων ταλαντώσεων είναι ένα κύμα.

Μηχανικά κύματα σε ελαστικό μέσο

Υπάρχουν 2 τύποι κίνησης σε ένα ελαστικό κύματαυτόχρονα: η ταλαντώσεις και σωματιδίων κατανομή της διαταραχής. Ονομάζεται διαμήκη μηχανικά κύματα, τα οποία σωματίδια δονούνται κατά μήκος της κατεύθυνσης της αναπαραγωγής της. Ονομάζεται εγκάρσιο κύμα, μέσο σωματίδια που διαφέρουν μεταξύ των κατεύθυνση της διάδοσης.

Ιδιότητες των μηχανικών κυμάτων

Οι διαταραχές στο διαμήκη κύμα είναιτην αραίωση και τη συμπίεση, και στις εγκάρσιες μετατοπίσεις ορισμένων στρωμάτων του μέσου σε σχέση με άλλες. Θλίψη στέλεχος συνοδεύεται από ελαστικές δυνάμεις. Σε αυτό το διάτμησης στέλεχος που συνδέεται με την εμφάνιση των ελαστικών δυνάμεων αποκλειστικά σε στερεά. Σε αέρια και υγρά μέσα, μια διάτμηση των στρωμάτων αυτών των μέσων δεν συνοδεύεται από την εμφάνιση της προαναφερθείσας δύναμης. Λόγω των ιδιοτήτων του, τα διαμήκη κύματα μπορούν να διαδοθούν σε οποιοδήποτε μέσο και τα εγκάρσια κύματα αποκλειστικά σε στερεά.

Χαρακτηριστικά των κυμάτων στην επιφάνεια των υγρών

Τα κύματα στην επιφάνεια του υγρού δεν είναι ούτε διαμήκης, ούτεεγκάρσιο. Είναι πιο πολύπλοκες, η λεγόμενη διαμήκη και εγκάρσια χαρακτήρα. Σε αυτήν την περίπτωση, τα σωματίδια ρευστού κινούνται κατά μήκος ενός κύκλου ή έλλειψης. Οι κυκλικές κινήσεις των σωματιδίων στην επιφάνεια ενός υγρού, και ειδικά με μεγάλους κραδασμούς, συνοδεύονται από την αργή αλλά συνεχή κίνηση τους προς την κατεύθυνση της διάδοσης κύματος. Είναι αυτές οι ιδιότητες των μηχανικών κυμάτων στο νερό προκαλεί την εμφάνιση στις όχθες των διαφόρων θαλασσινών.

Μηχανική συχνότητα κυμάτων

Εάν σε ένα ελαστικό μέσο (υγρό, στερεό,αέριο) κινεί σωματίδια ταλάντωση της, λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ τους, αυτό θα διαδοθεί με ταχύτητα u. Έτσι, αν σε αέρια ή υγρό μέσο θα είναι στο σώμα ταλαντώσεως, αρχίζει κίνηση μεταδίδεται σε όλους το παρακείμενο σωματίδιο. Θα περιλαμβάνουν τα ακόλουθα στη διαδικασία και ούτω καθεξής. Σε αυτό το σημείο μεσαίου όλα θα ταλαντώνονται την ίδια συχνότητα ίση με τη συχνότητα του σώματος ταλάντωσης. Είναι η συχνότητα του κύματος. Με άλλα λόγια, αυτή η τιμή μπορεί να περιγραφεί ως η συχνότητα των ταλαντώσεων των σημείων σε ένα περιβάλλον όπου το κύμα διαδίδεται.

Μπορεί να μην είναι άμεσα σαφές πώςαυτή η διαδικασία συμβαίνει. Η μεταφορά της δονητικής ενέργειας από την πηγή της στην περιφέρεια του μέσου σχετίζεται με μηχανικά κύματα. Κατά τη διάρκεια των οποίων υπάρχουν επονομαζόμενες περιοδικές παραμορφώσεις που μεταφέρονται από το κύμα από το ένα σημείο στο άλλο. Σε αυτή την περίπτωση, τα σωματίδια του μέσου μαζί με το κύμα δεν κινούνται. Ταλαντεύονται δίπλα στη θέση ισορροπίας τους. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η διάδοση ενός μηχανικού κύματος δεν συνοδεύεται από τη μεταφορά της ύλης από το ένα μέρος στο άλλο. Τα μηχανικά κύματα έχουν διαφορετικές συχνότητες. Ως εκ τούτου, χωρίστηκαν σε σειρές και δημιούργησαν μια ειδική κλίμακα. Η συχνότητα μετράται σε hertz (Hz).

Βασικές φόρμουλες

Μηχανικά κύματα, ποιος τύπος υπολογισμούπολύ απλό, είναι ένα ενδιαφέρον αντικείμενο για μελέτη. Η ταχύτητα κύματος (υ) είναι η ταχύτητα της εμπρόσθιας κίνησης (η γεωμετρική θέση όλων των σημείων στα οποία το μέσο έχει φτάσει στην τρέχουσα δόνηση):

Υ = √G / ρ,

όπου ρ είναι η πυκνότητα του μέσου, το G είναι το μέτρο ελαστικότητας.

Κατά τον υπολογισμό, μην συγχέετε την ταχύτητα του μηχανικούκύματα στο μέσο με την ταχύτητα των σωματιδίων του μέσου που εμπλέκονται στη διαδικασία κύματος. Έτσι, για παράδειγμα, ένα ηχητικό κύμα στον αέρα διαδίδεται με μια μέση ταχύτητα των μορίων του 10 m / s, ενώ η ταχύτητα ενός ηχητικού κύματος υπό κανονικές συνθήκες είναι 330 m / s.

Το μέτωπο κύματος είναι διαφόρων τύπων, τα πιο απλά από τα οποία είναι:

• Σφαιρικό - προκαλείται από δονήσεις σε αέρια ή υγρό περιβάλλον. Το εύρος κύματος μειώνεται με την απόσταση από την πηγή σε αντίστροφη αναλογία με το τετράγωνο της απόστασης.

• Flat - είναι ένα αεροπλάνο πουκάθετη προς την κατεύθυνση της διάδοσης κύματος. Εμφανίζεται, για παράδειγμα, σε κλειστό κύλινδρο εμβόλου όταν εκτελεί ταλαντευτικές κινήσεις. Ένα επίπεδο κύμα χαρακτηρίζεται από ένα σχεδόν σταθερό εύρος. Η ασήμαντη μείωση της με την απόσταση από την πηγή διαταραχής συνδέεται με τον βαθμό ιξώδους ενός αερίου ή υγρού μέσου.

Μήκος κύματος

Το μήκος κύματος νοείται ως η απόσταση στην οποία το μέτωπό της θα μετακινηθεί σε χρόνο ίσο με την περίοδο ταλάντωσης των σωματιδίων του μέσου:

λ = ΥΤ = υ / ν = 2πυ / ω,

όπου Τ είναι η περίοδος ταλάντωσης, υ είναι η ταχύτητα κύματος, ω είναι η κυκλική συχνότητα, ν είναι η συχνότητα ταλάντωσης των μέσων σημείων.

Поскольку скорость распространения механической το κύμα εξαρτάται πλήρως από τις ιδιότητες του μέσου, τότε το μήκος λ κατά τη μετάβαση από το ένα μέσο στο άλλο αλλάζει. Σε αυτή την περίπτωση, η συχνότητα ταλάντωσης ν παραμένει πάντοτε η ίδια. Τα μηχανικά και ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι παρόμοια, καθώς όταν μεταδίδονται, μεταφέρεται ενέργεια, αλλά η ύλη δεν μεταφέρεται.