Mekaaniset aallot: lähde, ominaisuudet, kaavat

Voit kuvitella, mitä mekaaniset aallot ovat,heittää kiven veteen. Sen ympärillä olevat ympyrät, jotka ovat vuorotellen syvennyksiä ja harjanteita, ovat esimerkkejä mekaanisista aalloista. Mikä on heidän olemuksensa? Mekaaniset aallot ovat tärinän etenemisprosessi joustavassa väliaineessa.

Aallot nesteiden pinnalla

Tällaisia ​​mekaanisia aaltoja esiintyymolekyylien välisen vuorovaikutuksen ja painovoiman vaikutus nestemäisiin hiukkasiin. Ihmiset ovat tutkineet tätä ilmiötä pitkään. Merkittävimmät ovat valtameri ja meriaallot. Tuulen nopeuden kasvaessa ne muuttuvat ja niiden korkeus kasvaa. Itse aaltojen muoto muuttuu monimutkaisemmaksi. Meressä ne voivat saavuttaa pelottavia mittasuhteita. Yksi selkeimmistä vallan esimerkkeistä on tsunami, joka pyyhkäisee kaiken tiensä.

Meri- ja valtamerien aaltojen energia

Rannalle saavuttaessa meren aallot ovat teräviämuutokset syvyydessä kasvavat. Ne saavuttavat joskus useita metrejä. Sellaisina hetkinä valtavan vesimassan kineettinen energia siirtyy rannikkoesteisiin, jotka tuhoutuvat nopeasti sen vaikutuksesta. Surffauksen vahvuus saavuttaa toisinaan suuret arvot.

Elastiset aallot

Mekaniikassa he tutkivat paitsi tärinäänesteen pinta, mutta myös ns. elastiset aallot. Nämä ovat häiriöitä, jotka leviävät eri väliaineissa niissä olevien elastisten voimien vaikutuksesta. Tällainen häiriö on tietyn ympäristön hiukkasten poikkeama tasapainotilasta. Hyvä esimerkki joustavista aaltoista on pitkä köysi tai kumiputki, joka on kiinnitetty johonkin toiseen päähän. Jos vedät sen tiukasti ja luo sitten sivuttaisella terävällä liikkeellä häiriön sen toisesta (suojaamattomasta) päästä, voit nähdä, kuinka se "kulkee" köyden koko pituudelta tukeen ja heijastuu takaisin.

Mekaaninen aaltolähde

Alkuperäinen häiriö johtaaaaltoympäristö. Se johtuu jonkin vierasesineen toiminnasta, jota fysiikassa kutsutaan aallon lähteeksi. Se voi olla köyttä heiluttavan henkilön käsi tai veteen heitetty kivi. Siinä tapauksessa, että lähteen toiminta on luonteeltaan lyhytaikaista, väliaineessa esiintyy usein yksi aalto. Kun "häiriö" tekee pitkiä tärinäliikkeitä, aallot alkavat nousta yksi toisensa jälkeen.

Edellytykset mekaanisten aaltojen esiintymiselle

Tällaisia ​​värähtelyjä ei aina muodostu.Tarvittava edellytys niiden ulkonäölle on sitä estävien voimien, erityisesti elastisuuden, esiintyminen väliaineen häiriöhetkellä. Niillä on taipumus tuoda naapurihiukkaset lähemmäksi toisiaan, kun ne eroavat toisistaan, ja työntävät ne pois toisistaan ​​lähestymisen hetkellä. Häiriön lähteestä kaukana oleviin hiukkasiin vaikuttavat elastiset voimat alkavat tasapainottaa niitä. Ajan myötä kaikki väliaineen hiukkaset osallistuvat yhteen värähtelyliikkeeseen. Tällaisten värähtelyjen leviäminen on aalto.

Mekaaniset aallot joustavassa väliaineessa

Joustavalla aallolla on 2 liiketyyppiäsamaan aikaan: hiukkasten värähtelyt ja häiriöiden eteneminen. Pituussuuntainen on mekaaninen aalto, jonka hiukkaset värisevät sen etenemissuunnassa. Poikittainen on aalto, jonka väliaineen hiukkaset värisevät sen etenemissuunnassa.

Mekaaniset aalto-ominaisuudet

Pitkittäisaallon häiriöt ovatharvinaisuus ja puristus, ja poikittaissuuntaisissa siirtymissä (siirtymissä) joissakin väliaineen kerroksissa suhteessa muihin. Puristuksen muodonmuutokseen liittyy elastisten voimien esiintyminen. Tässä tapauksessa leikkauksen muodonmuutos liittyy elastisten voimien esiintymiseen yksinomaan kiinteissä aineissa. Kaasumaisissa ja nestemäisissä väliaineissa näiden väliaineiden kerrosten leikkaamiseen ei liity mainitun voiman esiintyminen. Ominaisuuksiensa takia pituussuuntaiset aallot voivat levitä missä tahansa väliaineessa, ja poikittaiset aallot voivat levitä yksinomaan kiinteissä.

Aaltojen ominaisuudet nesteiden pinnalla

Nesteen pinnalla olevat aallot eivät ole pituussuuntaisia ​​eivätkäpoikittainen. Niillä on monimutkaisempi, ns. Pituussuuntainen poikittainen luonne. Tässä tapauksessa nestehiukkaset liikkuvat ympyrässä tai pitkin pitkänomaisia ​​ellipsejä. Hiukkasten pyöreisiin liikkeisiin nesteen pinnalla ja erityisesti suurilla tärinöillä liittyy niiden hidas mutta jatkuva liike aaltojen etenemissuuntaan. Nämä mekaanisten aaltojen ominaisuudet vedessä määräävät erilaisten merenelävien ulkonäön rannalla.

Mekaaninen aaltotaajuus

Jos se on joustavassa väliaineessa (nestemäinen, kiinteä,kaasumainen) herättää hiukkasten värähtelyn, sitten niiden välisen vuorovaikutuksen vuoksi se etenee nopeudella u. Joten, jos värähtelevä kappale on kaasumaisessa tai nestemäisessä väliaineessa, sen liike alkaa siirtyä kaikkiin sen vieressä oleviin hiukkasiin. He ottavat muita mukaan prosessiin ja niin edelleen. Tässä tapauksessa ehdottomasti kaikki väliaineen pisteet alkavat väristä samalla taajuudella, yhtä suuri kuin värisevän kappaleen taajuus. Se on aallon taajuus. Toisin sanoen tätä määrää voidaan luonnehtia pisteiden värähtelytaajuudeksi väliaineessa, jossa aalto etenee.

Ei välttämättä ole heti selvää mitentämä prosessi tapahtuu. Tärinäliikeenergian siirto lähteestään väliaineen kehälle liittyy mekaanisiin aaltoihin. Sen aikana tapahtuu niin sanottuja jaksollisia muodonmuutoksia, jotka aalto siirtää pisteestä toiseen. Tässä tapauksessa väliaineen hiukkaset itse eivät liiku aallon mukana. Ne värähtelevät tasapainoasennonsa ympärillä. Siksi mekaanisen aallon etenemiseen ei liity aineen siirtymistä paikasta toiseen. Mekaanisilla aalloilla on erilaiset taajuudet. Siksi ne jaettiin alueisiin ja luotiin erityinen asteikko. Taajuus mitataan hertseinä (Hz).

Peruskaavat

Mekaaniset aallot, kaavat minkä laskemiseksimelko yksinkertainen, ovat mielenkiintoisia tutkittavia aiheita. Aallon nopeus (υ) on sen etuosan (kaikkien pisteiden geometrinen paikka, johon väliaineen värähtely on tällä hetkellä saavuttanut) nopeus:

υ = √G / ρ,

missä ρ on väliaineen tiheys, G on kimmomoduuli.

Älä sekoita mekaanisen nopeutta laskettaessaaallot väliaineessa aallonprosessissa mukana olevien väliaineen hiukkasten liikkumisnopeudella. Joten esimerkiksi ääniaalto ilmassa etenee molekyylien keskimääräisen värähtelynopeuden ollessa 10 m / s, kun taas ääniaallon nopeus normaaleissa olosuhteissa on 330 m / s.

Aaltorintama on erityyppisiä, joista yksinkertaisimpia ovat:

• Pallomainen - kaasun tai nesteen tärinän aiheuttama. Tällöin aallon amplitudi pienenee lähteen etäisyyden kanssa käänteisessä suhteessa etäisyyden neliöön.

• Tasainen - edustaa tasoa, jokakohtisuorassa aallon etenemissuuntaan. Se tapahtuu esimerkiksi suljetussa männäsylinterissä, kun se värisee. Tasoaallolle on ominaista melkein vakio amplitudi. Sen pieni lasku häiriön lähteestä etäisyydelle liittyy kaasumaisen tai nestemäisen väliaineen viskositeettiasteeseen.

aallonpituus

Aallonpituudella tarkoitetaan etäisyyttä, johon sen etuosa siirtyy ajan kuluessa, joka on yhtä suuri kuin väliaineen hiukkasten värähtelyjakso:

λ = υT = υ / v = 2πυ / ω,

missä T on värähtelyjakso, υ on aallon nopeus, ω on syklinen taajuus, ν on väliaineen pisteiden värähtelytaajuus.

Koska mekaanisen etenemisnopeusaalto on täysin riippuvainen väliaineen ominaisuuksista, sen pituus λ muuttuu siirtyessä väliaineesta toiseen. Tällöin värinätaajuus ν pysyy aina samana. Mekaaniset ja sähkömagneettiset aallot ovat samanlaisia ​​siinä mielessä, että kun ne etenevät, energia siirtyy, mutta ainetta ei siirretä.